Пожароопасные свойства смешанных растворителей, применяемых в строительстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА СМЕШАННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Е.В. Калач, доцент, к.т.н., О.Б. Рудаков, профессор, д.х.н., Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

Е.А. Хорохордина, доцент, к.х.н, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж

В качестве разбавителей и разжижителей лаков и красок в строительной индустрии используется достаточно широкий ассортимент смешанных сольвентов разного состава, за редким исключением это легковоспламеняющиеся и весьма токсичные жидкости. С повышенной пожарной опасностью и химической вредностью сольвентов производители разных материалов вынуждены мириться из-за хорошей растворимости в них органических и высокомолекулярных веществ, которые входят в состав лаков и красок.

Существует проблема пожарной безопасности в разных отраслях промышленности, где используются органические растворители, и актуальной задачей является разработка простых и удобных критериев оценки совокупности факторов пожарной опасности [1]. Поверхностное натяжение является мерой некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое. Для подвижных жидкостей поверхностное натяжение характеризует избыток свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объеме. Величина а определяется характером межмолекулярных сил, размером и геометрией молекул, их ориентацией в поверхностном слое, т.е. природой растворителя, его поверхностной активностью или поверхностной активностью находящихся в нем других веществ [1-3]. Поверхностное натяжение растворов ПАВ играет важную роль в пенообразовании, в смачиваемости поверхности, что является предметом прикладных исследований в области пожарной безопасности. Между величинами поверхностного натяжения и составом смешанных сольвентов [4], между температурой кипения и составом [5, 6], температурой вспышки и составом [7], а значит, и между этими физическими свойствами жидких смесей можно ожидать определенных взаимосвязей, экспериментальное изучение которых позволит оценить риски пожарной опасности при реализации внештатных ситуаций в лакокрасочных производствах, на этапах отделочных строительных работ. Цель работы - изучить количественные взаимосвязи поверхностного натяжения, температуры кипения и вспышки некоторых типичных многокомпонентных сольвентов, используемых в строительной индустрии.

Экспериментальные значения поверхностного натяжения определяли методом максимального давления в пузырьке воздуха на приборе Ребиндера

[2]. Находили константу ячейки прибора к по значениям максимального давления Дрст и поверхностного натяжения аст для стандартных жидкостей:

к= Ост / Дрст.

Определив коэффициент к и измерив давление Дрмакс для исследуемой жидкости, рассчитывали значение аж-г = кДрмакс. Применение этого метода хорошо минимизирует ошибки, обусловленные изменением состава из-за испарения, что важно для изучения поверхностного натяжения смешанных растворителей. Исследуемую жидкость наливали в ячейку до уровня, при котором кончик капилляра погружен в неё не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирали с помощью капилляра). Ячейку соединяли отводной трубкой с аспиратором и краном микроманометра. Устанавливали мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. После чего открывали кран аспиратора. В установке создавалось разряжение, в результате чего манометрическая жидкость поднималась в трубке. Сформировавшийся на конце капилляра пузырёк воздуха при достижении Дрмакс, пробивал поверхностный слой. В этот момент давление в системе снижалось, манометрическая жидкость опускалась, затем в результате образования нового пузырька она снова поднималась, что вызывало колебание уровня манометрической жидкости. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добивались равномерного проскока пузырька, с интервалом 20-30 с.

Вспышкой, как известно, называется быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Температура вспышки ?всп, представляет собой наименьшую температуру конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания (устойчивое горение при этом не возникает). Сущность экспериментального метода определения заключается в нагревании определенной массы вещества с заданной скоростью, периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия вспышки при фиксируемой температуре. Для определения ?всп заданную массу вещества нагревали с заданной скоростью, периодически зажигая выделяющиеся пары и визуально оценивали результаты зажигания в приборе открытого типа. Использовали термометры типов ТН 1-1, ТН 1-2, ТН - 6 с делением шкалы не более 1 °С; секундомер с погрешностью не более 1 с для контроля скорости нагревания жидкости. Прибор для измерения ^си в открытом тигле состоял из фарфорового тигля низкой формы № 5, нагревательной воздушной ванны, газовой горелки и термометров (ГОСТ 12.1.044-89).

Вначале определяли ориентировочную ?всп. После этого выполняли серию основных испытаний на 3 образцах исследуемого раствора в той же последовательности, что и предварительные испытания. Образцы исследуемого раствора, имеющие ориентировочную ?всп<50 °С, охлаждали до температуры, которая на 17 °С ниже ориентировочной ?всп. За 10 °С до ориентировочной ?всп

образец нагревали со скоростью 1 °С/мин для растворов с ^сп до 70 °С и 2 °С/мин для веществ с ?всп>70 °С. За исп каждого определения принимали показание термометра, соответствующее появлению пламени над частью или над всей поверхностью образца.

Под температурой кипения tкшl понимают температуру, при которой

происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, tкшl

соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью

кипящей жидкости. При определении ?кип использовали метод Павлевского

(ГОСТ 18995.6-73). В пробирку прибора для определения ^ помещали 1-5

1.5 см испытуемой жидкости (туда же помещают небольшой кусочек прокаленного, пористого, неглазированного фарфора или маленькие, запаянные с одной стороны стеклянные капилляры) и укрепляли в ней при помощи корковой пробки термометр так, чтобы ртутный резервуар находился на высоте 2 см над уровнем жидкости в пробирке. В колбу прибора наливали жидкий теплоноситель (глицерин) так, чтобы уровень его был выше уровня жидкости в пробирке. При нагреве за 10-15 оС до предполагаемой ^ скорость нагрева уменьшали до 2 оС в мин. При дальнейшем нагревании температура повышается и, достигнув определенной точки, некоторое время остается постоянной. За tшп принимали наблюдаемую постоянную температуру, приведенную к нормальному давлению с учетом поправок по ГОСТ 18995.6-73. Результатом анализа считали среднее арифметическое двух параллельных определений, если абсолютное расхождение между которыми не превышало 0,1 оС.

Состав сольвентов для которых изучали поверхностное натяжение, температуры кипения и вспышки представлены в таблице.

Таблица

Сольвент Массовая доля компонента

толуол бутилацетат этилацетат бутанол этанол ацетон ксилол

Растворитель 645 0,5 0,18 0,12 0,1 0,1 - -

Растворитель Р-4 0,62 0,12 - - - 0,26 -

Растворитель Р-10 - - - - - 0,15 0,85

Растворитель РС-1 0,6 0,3 - - - - 0,1

Разбавитель РДВ 0,5 0,18 0,09 0,1 0,1 0,03 -

Разжижитель Р-5 - 0,30 - - - 0,30 0,4

Между поверхностным натяжением и ^сп смешанных сольвентов установлена значимая линейная корреляция, коэффициент парной корреляции Я>0,80, т.е., чем выше поверхностное натяжение, тем выше температура вспышки. Между температурой кипения и температурой вспышки, между поверхностным натяжением и температурой вспышки смешанных сольвентов

значимых корреляций в данной выборке не наблюдали, можно говорить лишь о тенденции: чем больше натяжение, тем выше ?кип.

Вместе с тем, для чистых растворителей существует значимая корреляция как температуры вспышки от поверхностного натяжения (R=0,75), так и между температурой кипения и вспышки (R=0,87). Это говорит о том, что рассматриваемые параметры для смешанных растворителей неаддитивно изменяются в зависимости от состава, а на границе раздела фаз жидкость -воздух может наблюдаться градиент концентраций, т.е. более поверхностно активные вещества будут концентрироваться на межфазной границе. Эксперимент показал, что ?всп лимитируется прежде всего наличием и концентрацией в сольвенте наиболее пожароопасного компонента, например, ацетона, именно его присутствие в сольвентах существенно снижает ?всп.

Наличие эффектов сольватации и химических взаимодействий, приводящих к нарушению локальной (на наноуровне) гомогенности многокомпонентной системы, обуславливает отсутствие четких линейных или нелинейных зависимостей между величинами поверхностного натяжения, температурой кипения и температурой вспышки многокомпонентных систем, тем не менее, прослеживаются универсальные тенденции: чем выше поверхностное натяжение и температура кипения, тем выше температура вспышки; тем меньше пожарная опасность многокомпонентной системы органических растворителей.

Список использованной литературы

1. Рудаков О.Б., Д.С. Беляев, Паринов Д.Б., Рудакова Л.В. Обобщенный критерий химической и пожарной безопасности сольвентов//Пожарная безопасность, 2005. - № 6. - С. 81-85.

2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. - 512 с.

3. Рудаков О.Б., Беляев Д.С., Хорохордина Е.А., Подолина Е.А. Поверхностное натяжение бинарных подвижных фаз для жидкостной хроматографии. // Журнал физической химии, 2007. - Т. 81. - № 3. - С. 438-441.

4. Jouyban A., Fathi Azarbayjani A., Barzegar-Jalali M., Aeree W. E. Correlation of surface tension of mixed solvents with solvent composition//Pharmazie. 2004. - V.59. - № 12. - Р. 937-941.

5. Преображенский М.А., Рудаков О.Б. Зависимость температуры кипения бинарных водно-органических смесей от состава// Журн. физич. химии, 2015. - Т. 89. - № 1. - С. 69-72.

6. Рудаков О.Б., Бочарова О.Н. Температура кипения бинарных подвижных фаз для высокоэффективной жидкостной хроматографии//Журнал физической химии, 2000. - Т. 74. - № 6. - С. 1059-1064.

7. Рудаков О. Б., Черепахин А. М., Исаев А. А., Рудакова Л. В., Калач А.В. Температура вспышки бинарных растворителей для жидкостной хроматографии // Конденсированные среды и межфазные границы. - Т. 13 -№ 2, 2011. - С.191-195