CC BY
6Сивенков А. Б., Серков Б. Б., Асеева Р. М.
ОГНЕЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ. ЧАСТЬ 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ ПО ПОВЕРХНОСТИ
В статье описывается экспериментальное исследование распространения пламени по поверхности древесины с огнезащитными вспенивающимися покрытиями на основе модифицированных полисахаридов. Показано, влияние расхода водного состава и степени модификации полисахаридов на эффективность огнезащитного действия.
Ключевые слова: деревянные конструкции, огнезащитные покрытия, распространение пламени по поверхности.
Sivenkov A., Serkov B., Aseeva R. FIRE RETARDANT COATINGS BASED ON MODIFIED POLYSACCHARIDES.
PART 4. SURFACE FLAME PROPAGATION
This paper describes an experimental investigation of flame propagation along the surface of the wood with fire retardant expandable coatings based on modified polysaccharides. The influence of water flow and the degree of modification of polysaccharides on the effectiveness of flame retardant action.
Keywords: wooden constructions, fire protection coverings, surface flame propagation on wooden materials surface, fire propagation index.
Распространение пламени (далее РП) по поверхности различных природных и синтетических полимерных материалов является одной из ключевых проблем в исследованиях развития пожара. Этой проблеме посвящены многие теоретические и экспериментальные работы [1-3].
Движущей силой РП является перенос теплового потока от собственного пламени к поверхности горючего материала перед фронтом пламени
и нагрев его до температуры пиролиза и воспламенения. Таким образом, РП по поверхности конденсированных горючих систем рассматривают как процесс непрерывного диффузионного газофазного воспламенения [1].
В настоящей работе установлено, что механизм теплопереноса, контролирующий РП, зависит не только от свойств материала, но, в значительной степени, от условий осуществления этого процесса. Важную роль играют интенсивность подводимого теплового потока, масштаб (размер) и пространственная ориентация образцов, относительное направление волны горения и потока окисляющего газа, гидродинамические характеристики горения, параметры окружающей среды и т. д.
При РП по поверхности образцов небольшого размера, используемых обычно в маломасштабных методах испытания, доминирующим механизмом является перенос тепла от пламени посредством конвекции через газовую фазу [2].
По мере увеличения масштаба горения в теплопередачу от пламени включается перенос тепла излучением. При высоте пламени более 30 см радиационная теплопередача от пламени к поверхности материала превышает конвективную составляющую. Она достигает 80 % общего обратного теплового потока от собственного пламени в реальных пожарах или крупномасштабных испытаниях [3].
В современных лабораторных методах оценки РП по поверхности материалов эту ситуацию пытаются воспроизвести путём подведения к поверхности
образцов контролируемого внешнего лучистого теплового потока.
Одним из отечественных методов определения способности материалов к РП является стандартный метод «Индекс РП» ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.19, рекомендованный для классификации материалов и композиций. Индекс РП представляет собой обобщённый показатель. Он отражает совокупность свойств материала и условий, которые способствуют возникновению и развитию горения, определяют его продолжительность и возможные масштабы. Горючие свойства косвенно учитываются соотношением теплоты, необходимой для воспламенения и тепловой энергии, выделяемой при горении образца. Динамика процесса оценивается скоростью и максимальным расстоянием РП в условиях воздействия постепенно уменьшающейся плотности внешнего радиационного теплового потока. Это даёт возможность определить ещё один важный параметр - критический внешний радиационный тепловой поток РП, Распространение пламени прекращается в случае, если индекс РП меньше этого показателя. Значение ц™ в соответствии с ГОСТ 30444-97 используют, например, для классификации некоторых видов материалов по их способности к распространению пламени [4].
Настоящая работа является продолжением комплексного исследования характеристик пожарной опасности древесины с огнезащитными покрытиями на основе модифицированных полисахаридов [5-7]. В частности, статья посвящена экспериментальному исследованию влияния указанных огнезащитных покрытий для древесины на закономерности РП по поверхности образцов.
В работе выясняется влияние природы исходного растительного сырья и степени его модификации, а также зависимость эффективности огнезащитных покрытий при РП от количества вещества, наносимого на поверхность древесины.
В качестве объектов исследова-
ния использовались те же экологически безопасные водные составы для огнезащитных покрытий, что и в работе [5], которые содержали продукты модификации полисахаридов из растительного сырья - крахмала и отходов шлифования риса (далее «рис»).
Для приготовления образцов сосны с огнезащитными покрытиями составы наносились на поверхность древесины кистью с расходом до 300 г/м2.
Для изучения влияния огнезащитных покрытий на основе модифицированных полисахаридов на закономерности РП по поверхности древесины применялась установка по определению индекса РП по ГОСТ 12.1.044-89 [8], п. 4.19. Эта установка позволяет создавать на поверхности испытуемого образца радиационный тепловой поток, плотность которого по длине образца изменяется от 32,0 до 12,0 кВт/м2. Образец размером 320x40x20 мм располагался под углом 30° относительно вертикальной радиационной панели. Зажигание осуществлялось с помощью стационарной газовой горелки в верхней части образца. Поверхность образца по длине делилась на 10 участков, каждый по 0,03 м.
В ходе эксперимента определялись: время возникновения устойчивого горения, твг; время достижения фронтом пламени каждого из участков поверхности, т.; предельное расстояние РП, 1г; максимальная температура дымовых газов, 1тах , и время её достижения, ттах.
В данном методе испытания РП по поверхности образца осуществляются в направлении сверху вниз при противо-потоке воздуха, натекающего в пламя за счёт естественной конвекции. Необходимо отметить, что образец при испытаниях находится под углом 30° к нагревательной панели, то есть данный вариант размещения образца близок к варианту с наиболее благоприятными условиями для РП - горизонтальное расположение образца. При увеличении
угла наклона скорость распространения пламени уменьшается.
В принятой модели РП предполагается, что на каждом малом участке Л1 по длине образца внешнее тепловое воздействие и скорость РП соответственно постоянны.
Древесина относится к материалам, для которых типично быстрое РП по поверхности (индекс РП равен 55). Способность покрытий на основе модифицированных полисахаридов вспучиваться и образовывать на защищаемой поверхности плотный теплоизолирующий слой непосредственно отражается на изменении такого важного показателя пожарной опасности, как РП по поверхности древесины.
На основе полученных данных проводилось вычисление индекса РП по поверхности материала - показателя, характеризующего способность материала воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло.
Результаты определения параметров для расчета индекса РП (I ) представлены в таблице 1.
Из них видно, что модифицированный крахмал со степенью модификации а = 0,3 и расходом 300 г/м2 обеспечивает древесине получение индекса 10,4 с критической плотностью теплового потока 22,5 кВт/м2. При этом фронт пламени распространился под действием внешнего теплового потока на расстояние 0,15 м в условиях, заданных испытаниями.
При использовании модифицированного крахмала со степенью модификации а = 0,5 и расходом 300 г/м2 процесс распространения пламени практически исключён: индекс РП равен 0,8. При этом фронт пламени распространился всего лишь на 0,05 м.
Как видно из таблицы 1, увеличение расхода состава сопровождается значительным снижением индекса РП. При расходе 300 г/м2 огнезащитного
Таблица 1
Результаты исследований процесса распространения пламени по поверхности древесины с покрытиями на основе модифицированных полисахаридов
Наименование образца Расход покрытия, г/м2 Предельная длина распространения пламени по поверхности, 1 , м г ' рп' Прирост температуры продуктов сгорания, Л^ °С I рп
Сосна - 0,3 120 55,0
Сосна - модиф. крахмал, а = 0,3 000 ООО см со 0,3 0,16 0,12 50 32 25 31,2 20,7 10,4
Сосна - модиф. крахмал, а = 0,5 000 ООО см со 0,15 0,10 0,05 10 6 9,2 4,7 0,8
Сосна - модиф. рис, а = 0,5 000 ООО см со 0,19 0,12 0,06 32 22 9 22,1 7,6 4,0
Примечание. а - степень модификации полисахаридов, характеризуется отношением модифицированных звеньев полисахарида к немодифицированным звеньям.
Таблица 2
Влияние расхода и типа огнезащитного
сэ рп
состава на значения и д
кр
Наименование образца Расход покрытия, г/м2 Чсг, кВт/м2 (ГОСТ 30402-96) Я™, кВт/м2 (ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.19)
Сосна - 12,5 5,0
Сосна - модиф. крахмал, а = 0,3 000 ООО см со 16,0 22,0 27,0 8,5 19,7 23,9
Сосна - модиф. крахмал, а = 0,5 000 ООО см со 22,0 27,5 29,7 20,5 24,0 27,8
Сосна - модиф. рис, а = 0,5 000 ООО см со 18,0 23,0 29,0 17,1 22,5 26,8
состава на основе крахмала со степенью модификации а = 0,5 индекс РП становится равным 0,8.
Огнезащитные составы на основе полисахаридов с высокой степенью модификации уже при одно- или двухслойном нанесении на поверхность древесины переводят её в группу материалов, характеризующихся медленным РП (индекс РП < 20). За счёт увеличения толщины огнезащитного слоя можно достигнуть перевода древесины в группу материалов, не распространяющих пламя по поверхности, с индексом РП, равным нулю.
Таким образом, эффективность покрытий в снижении индекса РП (и, соответственно, в уменьшении предела и скорости РП по поверхности древесины) зависит как от толщины (расхода) покрытия, так и от степени модификации полисахаридов. Особенно ярко это проявляется в изменении величины критической плотности внешнего радиационного теплового потока, при индексе РП ниже которой происходит затухание пламени. В таблице 2 приведены
значения и ц™ для образцов сосны с исследуемыми огнезащитными покрытиями.
Сравнение значений критической поверхностной плотности теплового потока при воспламенении и при РП по поверхности материалов показало, что они отличаются друг от друга. Более низкие значения критической плотности теплового потока для прекращения РП по поверхности древесины (ц™) по сравнению с установленными в тестах по воспламенению (ц^) обусловлены тем, что поверхность образцав первом случае является подготовленной для воспламенения газовой фазы. Из результатов испытаний видно, что при увеличении степени модификации полисахаридов значения критических плотностей теплового потока всех процессов увеличиваются.
Таким образом, критическая плотность внешнего теплового потока как для процесса воспламенения, так и для осуществления РП по поверхности является параметром, который отражает свойства конкретных материалов.
При прочих равных условиях он не зависит от особенностей аппаратуры при испытании. Для инициирования локального воспламенения необходимо условие це > q®p. РП по поверхности материалов можно наблюдать при воздействии внешнего теплового потока в пределах
Ч* < Яе < Чкр.
Наиболее важным является анализ изменения скорости РП под действием тепловых потоков различной интенсивности. Данный анализ показывает, что скорость распространения пламе-
ни по поверхности существенно зависит от величины теплового потока.
В таблице 3 представлены результаты определения скорости распространения пламени по поверхности исследуемых образцов от величины плотности теплового потока на установке по ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) [8].
Интересно отметить, что на пределе затухания скорость РП по поверхности образцов не равняется нулю, а имеет вполне определённое конечное значение Укр = 0,23-0,24 мм/с вне зависимости
Таблица 3
Скорость распространения пламени по поверхности образца в зависимости от расхода огнезащитных покрытий и степени модификации полисахаридов
№ Наименование огнезащитного покрытия, степень модификации полисахарида (а), расход покрытия, г/м2
участка образца Модифицированный крахмал (а = 0,3) Модифицированный рис (а = 0,3) Модифицированный крахмал (а = 0,5)
200 300 200 300 200 300
0 1,50 0,85 0,75 0,50 0,47 0,38
1 1,20 0,61 0,50 0,23 0,41 -
2 0,90 0,34 0,37 - 0,34 -
3 0,58 0,24 0,23 -
4 0,37 -
5 0,23 -
6-9 -
от вида огнезащитного покрытия. Экстраполяцией результатов изменения скорости РП по поверхности образцов необработанной сосны от плотности внешнего теплового потока на это значение Ук является величина ц™ = 5,0 кВт/м2. Полученное значение соответствует ц^, установленному при РП сверху вниз по поверхности образцов древесины значитель-
но большего размера, чем по ГОСТ 12.1.044-89, при конвективном противо-потоке воздуха [9].
Из результатов, представленных в таблице 3, видно, что наиболее эффективен в снижении скорости РП модифицированный крахмал со степенью модификации а = 0,5. При уменьшении степени модификации скорость РП увеличивается. Так, на участке образца 0
(плотность теплового потока составляет 32 кВт/м2) скорость РП по поверхности древесины с модифицированным крахмалом со степенью модификации а = 0,3 равна 3,3 мм/с, при увеличении степени модификации полисахарида до 0,5 скорость РП уменьшается в 2,2 раза.
Эффективность покрытий на основе модифицированных полисахаридов в снижении скорости РП по поверхности древесины тесно взаимосвязана со степенью их модификации а, характеризующейся отношением окисленных модифицированных звеньев полисахарида к немодифицированным. При её возрастании увеличиваются теплоизолирующая способность и толщина
образующегося коксового слоя [7]. Процесс образования вспученного слоя интенсифицируется благодаря протеканию процессов межмолекулярного сшивания и карбонизации полисахаридов, которое сопровождается активным газообразованием вспенивающих агентов -воды и диоксида углерода [10].
Таким образом, эффективность огнезащитных покрытий на основе модифицированных полисахаридов в снижении распрастранения пламени по поверхности материала стоит оценивать как высокую. Она зависит от вида растительного сырья, расхода нанесения покрытия и от степени модификации полисахаридов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивен-ков А. Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства. Монография. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010.
2. Akihito J., Kashiwagi T. Characterization of Flame Spread over PMMA Using Holographic Jnterferometry Sample Orientation Effect // Combustion and Flame, 1988. - V. 71, P. 189-201.
3. Orloff L., Modak A., Alpert R. Burning of large-scale vertical surfaces // 16-th Symposium (Intern.) on Combustion. The combustion Institute, 1979. - P. 1345-1354.
4. ГОСТ 30444-97. Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени. - M.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 1998.
5. Сивенков А. Б. и др. Огнезащитные покрытия на основе модифицированных полисахаридов. Ч. 1. Исследование горючести и воспламеняемости // Пожаровзрывобезопасность. -2002. - №1. - С. 39-44.
6. Сивенков А. Б. и др. Огнезащитные покрытия на основе модифицированных полисахаридов. Ч. 2. Дымообразующая способность
и токсичность продуктов горения // Пожаровзрывобезопасность. - 2002. - № 2. - С. 21-26.
7. Сивенков А. Б. и др. Огнезащитные покрытия на основе модифицированных полисахаридов. Ч. 3. Характеристики тепловыделения при пламенном горении и теплофизические свойства // Пожаровзрывобезопасность. -2002. - № 3. - С. 13-19.
8. ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84). Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрыво-опасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения // Национальная справочно-информационная служба в области пожарной безопасности. - 2010. - № 2 (42).
9. Urbas J., Parker J. Using the JCAL to determine the Lateral Flame Spread Constants for a Wall Materials // Interflam-99, 1999. -V. 2. - Р. 1355-1360.
10. Сивенков А. Б. и др. Исследование механизма термического разложения модифицированных полисахаридов // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2006. -№ 6. - С. 3-12.
