CC BY
22
УДК 614.842
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОКАПСУЛ В ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ
О. В. ДМИТРИЕВ, В. И. ПОПОВ, М. В. ПУГАНОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: olegdmitriev22@gmail.com, popovvi49@mail.ru
Микрокапсулы нашли широкое применение в различных областях хозяйства. Наибольшее распространение получили в медицине. В последние годы микрокапсулы с хладонами находят применение в области обеспечения пожарной безопасности объектов. По результатам исследований на кафедре пожарной безопасности объектов защиты Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России установлены перспективные направления использования микрокапсул с хладонами в качестве добавок в огнетушащие порошки.
Ключевые слова: микрокапсулы, огнетушащие порошки, пожар, тушение горения, лабораторные исследования, промышленные испытания.
THE USE OF MICROCAPSULES IN FIRE FIGHTING
O. V. DMITRIYEV, V. I. POPOV, M. V. PUGANOV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: olegdmitriev22@gmail.com, popovvi49@mail.ru
Microcapsules are widely used in various fields of the economy. The most widespread are in medicine. In recent years, microcapsules with refrigerants have been used in the field of fire safety of facilities. According to the results of research at the Department of Fire Safety of objects of protection of the IFRA of SFS of EMERCOM of Russia, promising directions for the use of microcapsules with refrigerants as additives in fire extinguishing powders have been established.
Key words: microcapsules, extinguishing powders, fire, extinguishing gorenje, laboratory research, industrial tests.
Микрокапсулы применяются в различных отраслях: в медицине, в пищевой промышленности, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и др. Микрокапсулирова-ние открыло новые подходы в создании лечебно-профилактических и лекарственных препаратов, косметических средств, биологически активных веществ, ароматических добавок к пищевым продуктам.
В фармацевтической промышленности микрокапсулы нашли наиболее широкое применение для защиты неустойчивых лекарственных веществ от воздействия окружающей среды (витамины, антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки и др.); маскировки вкуса горьких лекарственных веществ; для совмещения в одной микрокапсуле несовместимых
между собой веществ (использование разделительных покрытий); для доставки лекарственных веществ в нужном участке желудочно-кишечного тракта (кишечно-растворимые микрокапсулы) и др.
В последние годы микрокапсулы нашли новое применение в области обеспечения пожарной безопасности, в основном для пожаротушения1. Дисперсность микрокапсул, применяемых как средство пожаротушения, составляет 50...200 мкм [1].
Применение микрокапсул в области пожарной безопасности:
• термоактивируемые микрокапсулиро-ванные газовыделяющие огнетушащие вещества (стикеры);
1
© Дмитриев О. В., Попов В. И., Пуганов М. В., . Микрокапсулы. Применение. https://dic.academic.ru/
2022 searchall.php (дата обращения 08.02.2022).
• термоактивируемые микрокапсулиро-ванные порошкообразные огнетушащие вещества;
• термоактивируемые микрокапсулиро-ванные огнетушащие полотна;
• термоактивируемые микрокапсулиро-ванные огнезащитные краски;
• огнетушащие порошки с добавками термоактивируемых микрокапсул (10...15 % по массе).
В нормативе ГОСТ Р 56459-20152 приведено определение: микрокапсулы - капсулы, состоящие из тонкой оболочки из полимерного материала шарообразной или неправильной формы размером от 2 до 100 мкм, содержащие жидкий огнетушащий состав. Приведенное определение не в полной мере отражает область современного применения микрокапсул для ликвидации горения, так как применяются не только жидкие наполнители, но и порошкообразные огнетушащие вещества с дисперсностью микрокапсул до 200 мкм.
Стикеры применяются для ликвидации горения, в основном в электрических щитах объемом до 60 л. Стикеры - это композитные пластины, размеры которых зависят от объема защищаемого оборудования. Пластины содержат микрокапсулированный газ или жидкость в количестве, достаточном чтобы предотвратить распространение горения в тот момент, когда возникает воспламенение3. Стикеры приклеиваются внутри оборудования с помощью са-моклеющегося основания. Температура срабатывания составляет 100-120 °С. Общий вид стикеров представлен на рис. 1.
Порошкообразный микрокапсулирован-ный огнетушащий порошок применяется в модульных системах пожаротушения. Капсулы наполняются огнетушащим порошком высокой дисперсности (5...50 мкм). Дисперсность капсул с порошком составляет 150.200 мкм. При температуре 100.120 °С оболочки капсул разрушается и порошок поступает в зону горения. Огнетушащая эффективность порошка повышается за счет того, что на порошок высокой дисперсности не влияют конвективные потоки, капсулы разрушаются в зоне пламени, высвобождая частицы порошка.
Огнетушащие полотна с микрокапсулами аналогичны стикерам. Микрокапсулы
Устройства пожаротушения автономные с применением термоактивируемых микрокапсу-лированных газовыделяющих огнетушащих веществ. Общие технические требования. Методы испытаний. ГОСТ Р 56459-2015.
3 Стикер - огнегасящая композитная пластина. https://aofortis.ru/product/ogneborec-stiker-50/ (дата обращения 08.02.2022).
наносятся на специальную ткань. Полотна применяются как первичные средства пожаротушения, в том числе для тушения одежды человека.
Огнезащитные краски с термоактиви-руемыми микрокапсулами с хладонами применяются для защиты стальных конструкций от действия высоких температур, для защиты конструкций из горючих материалов. Эффективность огнезащитных красок повышается, так как разрушаемые микрокапсулы с хладо-нами при действии температуры пожара оказывают воздействие на процесс горения, снижая интенсивность горения.
Рис. 1. Стикеры
На кафедре пожарной безопасности объектов защиты (в составе УНК «Государственный надзор») Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России провели исследования по определению изменения огнетушащей эффективности огнетушаще-го порошка с добавками термоактивируемых микрокапсул с хладонами. Исследования проводились с целью определения вида добавок в огнетушащий порошок для повышения огнету-шащей эффективности.
Огнетушащие порошки не оказывают огнетушащего эффекта на тлеющие материалы, кроме того в порошковых составах используются частицы с дисперсностью 60.100 мкм для сопутствующей доставки частиц порошков с дисперсностью менее 60 мкм. Частицы с дисперсностью более 60 мкм оказывают незначительной огнетушащий эффект.
Тушение огнетушащими порошками, в соответствии с общей тепловой теорией прекращения горения, происходит при условии:
Qrop. * Qr
(1)
где Qгоp. - тепловыделение при реакции горения, Дж/с; QпOт - теплопотери при тушении горения, Дж/с.
При тушении порошками происходит отбор тепла от зоны горения и воздействие на реакцию горения (ингибирование и разбавление зоны горения), которое приводит к снижению интенсивности тепловыделения, т.е общее условие прекращения горения огнетуша-щими порошками имеет следующий вид:
Qrop. Qm™6 Q
разбав
Qnperp — QOKp +Qo
+Qразл, (2)
где Qгоp. - тепловыделение при реакции горения, Дж/с; Qингиб - снижение тепловыделения при тушении горения за счет ингибирования реакции горения, Дж/с; Qpaзбaв - снижение тепловыделения при тушении за счет разбавления частицами порошка зоны горения, Дж/с; Qпpегp - снижение тепловыделения при тушении за счет огнепреграждения частицами порошка в зоне горения, Дж/с; QOкp - теплопотери в
окружающую среду и нагрев горючего вещества, Дж/с; QOхл - теплопотери за счет охлаждения зоны горения частицами порошка, Дж/с; QOхл - теплопотери за счет затрат тепла на разложение и испарение частиц порошка, Дж/с.
Большинство ученых, которые исследуют процессы тушения огнетушащими порошками, считают преобладающим огнетушащим эффектом ингибирование зоны горения. При этом ингибирование осуществляется преимущественно в гомогенной фазе при разложении частиц порошка. Следовательно, активными частицами, разлагающимися в зоне горения, являются частицы дисперсностью менее 40 мкм. Полностью плавятся частицы порошка дисперсностью менее 6 мкм [2].
Косвенное подтверждение приведенного утверждения получено при исследованиях на лабораторной установке, приведенной на рис. 2. Методика исследований на приведенной лабораторной установке изложена в работе [3].
Рис. 2. Лабораторная установка для исследования сравнительной оценки огнетушащей способности огнетушащих порошков: 1 - поддон для воды; 2 - распылитель; 3 - промежуточная емкость (для сжатого воздуха);
4 - магнитный клапан; 5 - компрессор
С целью определения преобладающего огнетушащего эффекта проведены лабораторные исследования с использованием порошка Волгалит-АВС. Для исследований огне-тушащий порошок Волгалит-АВС разделяли ситовым методом на фракции: до 40 мкм, от 40 мкм до 70 мкм и свыше 70 мкм.
При исследованиях установлено, что для прекращения горения модельного очага с ЛВЖ, огнетушащего порошка дисперсностью до 40 мкм потребовалось 0,5 г, дисперсностью
от 40 до 70 мкм - 3,2 г, стандартным порошком -1,8 г. Прекращение горения порошком дисперсностью более 70 мкм при подаче 8 г порошка на лабораторной установке не достигнуто. На диаграмме сравнительной зависимости огнетушащей способности огнетушащего порошка от дисперсности рис. 3. условно показано тушение при подаче 8 г.
По результатам проведенных лабораторных исследований можно сделать вывод о подтверждении заключения ученых о том, что
определяющими и превалирующими при тушении порошками являются процессы ингиби-рования в гомогенной фазе, т.е. происходит ингибирование горения продуктами испарения и разложения порошков.
Полученные результаты лабораторных исследований показывают, что наибольший эффект по повышению огнетушащей способности порошков может быть получен путем снижения тепловыделения реакции горения за счет ингибирования реакции горения ^ингиб). Для целей снижения тепловыделения ингиби-рованием зоны горения провели исследования по определению изменения огнетушащей эффективности порошка при тушении горения жидкости и древесины с разным процентным содержанием микрокапсул с хладоном. Хладо-ны обладают высокой ингибирующей способностью горения.
Проведены сравнительные лабораторные исследования по определению влияния микрокапсулированных (100.120 мкм) добавок с хладоном (5 %, 10 %, 15 %, 20 % по массе) на огнетушащий эффект огнетушащего порошка «Волгалит-АВС» по тушению модельного очага горючей жидкости. Лабораторные исследования огнетушащей способности порошковых смесей в сравнении с огнетушащей способностью порошка «Волгалит-АВС» осуществлялись по количеству смеси (порошка) подаваемой из устройства подачи порошка для тушения модельного очага горения жидкости. Площадь зеркала горящей жидкости в экспериментах составляла 0,03 м2. Результаты сравнительной оценки приведены на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость огнетушащей способности огнетушащего порошка от дисперсности 1 - порошок дисперсностью менее 40 мкм;
2 - порошок дисперсностью 40-70 мкм; 3 - порошок Волгалит-АВС, выпускаемый предприятием; 4 - порошок дисперсностью более 70 мкм (значение 8 г указано условно,
при дисперсности более 70 мкм тушение не достигнуто при применении 8 г порошка).
Проведены сравнительные лабораторные исследования по определению влияния микрокапсулированных (100.120 мкм) добавок с хладоном (5%, 10%, 15%, 20% по массе) на огнетушащий эффект огнетушащего порошка «Волгалит-АВС» по тушению модельного очага горения древесины. В качестве модельного очага принят штабель 80х80х40 мм из брусков 5х5 мм в 8 слоев по 5 брусков, уложенных под углом в 90°. Результаты сравнительной оценки приведены на рис. 5.
к 1,8
1.5
1,3 1,4
1,1 л
0 5 10 15 го 30
Содержание добавки, %
Рис. 4. Изменение огнетушащей способности огнетушащего порошка «Волгалит-АВС» в смеси с микрокапсулированной добавкой на модельном очаге с легковоспламеняющейся жидкостью
Лабораторными исследованиями установлено, что наибольшая огнетушащая эффективность огнетушащего порошка достигалась при тушении модельного очага горения
Рис. 5. Изменение количества порошкового состава для тушения модельного очага с ТГВ (порошок Волгалит-АВС в смеси с микрокапсулированной добавкой с хладоном на модельном очаге с ТГВ (древесина))
жидкости при 10 % содержании микрокапсул с хладоном (по массе), при тушении модельного очага горения древесины - 15 %. Изменение огнетушащей эффективности определяли по
массе затраченного порошка на тушение. Необходимая масса для тушения с добавками микрокапсул снижалась на 30-40 %.
Огнетушащая эффективность порошка при применении в виде добавок микрокапсул повышалась за счет разрушения микрокапсул при более низкой температуре (100.120 °С) чем разложение и испарение порошка (200.300 °С) и испарения хладона, вступающего в процесс ингибирования (температура кипения хладона 40 °С).
Для подтверждения лабораторных исследований проведены промышленные испытания. На рис. 6 изображено проведение промышленных испытаний на полигоне в Нижегородской области.
Промышленные испытания показали, что добавки микрокапсул с хладоном в огнету-шащий порошок «Волгалит-АВС» повышают огнетушащую эффективность порошка при тушении модельного очага горения штабеля древесины.
Промышленные испытания подтвердили результаты лабораторных исследований. Наибольшую огнетушащую эффективность при тушении модельных очагов горения древесины и горения жидкости показал огнетушащий порошок при 10 % (по массе) содержании микрокапсул с хладоном.
Рис. 7. Изменение количества порошка на тушение модельного очага пожара класса А (горение древесины) в зависимости от содержания микрокапсул с хладоном
Рис. 6. Промышленные испытания огнетушащего порошка с микрокапсулами с хладоном
2,97
\ 1, 83 1,75 1,81
1,28
Содержание микрокапсул в порошке, в % (по массе)
Рис. 8. Изменение количества порошка на тушение модельного очага пожара класса В (горение жидкости) в зависимости от содержания микрокапсул с хладоном
Применение микрокапсул с хладоном в качестве добавки в огнетушащий порошок позволит значительно повысить огнетушащую способность порошка. С микрокапсулами возможно использование порошка с высокой дисперсностью (5.20 мкм), так как роль несущих элементов порошка будут выполнять микрокапсулы с дисперсностью 100.200 мкм. Исследования в этой области имеют перспективное направление. Порошковые смеси (огнетушащий порошок + микрокапсулы с хладоном)
могут получить распространение в качестве огнетушащего состава огнетушителей для объектов с ценным оборудованием, предметами, представляющими историческую ценность, а также с тлеющими веществами. Порошковые смеси с высокой огнетушащей эффективностью позволяют разработать мини огнетушители для обеспечения тушения одежды человека (специалистов оперативных служб МВД России, Российской гвардии и др.).
Список литературы
1. Микрокапсулированные огнегася-щие жидкости и реактивные композиционные огнегасящие материалы на их основе / А. Д. Вилесов, Н. Н. Сапрыкина, Р. В. Степанов [и др.] // Высокомолекулярные соединения, Серия А. 2012. Т. 54. № 6. С. 900-906.
2. Вклад теплового и химического механизмов в тушении горючих жидкостей порошками / С. Н. Копылов, Д. В. Бухтояров, А. В. Казаков [и др.] // Юбилейный сборник трудов ФГБУ ВНИИПО МЧС России. М., 2012. С.221-233.
3. Дмитриев О. В., Попов В. И. Лабораторная установка и исследования огнетуша-щей способности порошковых составов. // Горение и плазмохимия. 2012. Т. 10, № 3. С. 203208.
References
1. Mikrokapsulirovannyye ognegasyash-chiye zhidkosti i reaktivnyye kompozitsionnyye ognegasyashchiye materialy na ikh osnove [Mi-crocapsulated extinguishing liquids and reactive composite extinguishing materials based on them] / A. D.Vilesov, N. N. Saprykina, R. V. Stepanov [et al.]. Vysokomolekulyarnyye soyedineniya, Series A, 2012, vol. 54, issue 6, pp. 900-906.
2. Vklad teplovogo i khimicheskogo mek-hanizmov v tushenii goryuchikh zhidkostey po-roshkami [The contribution of thermal and chemical mechanisms in the extinguishing of combustible liquids by powders] / S. N. Kopylov, D. V. Bukhtoyarov, A. V. Kazakov [et al.]. Yubi-leynyy sbornik trudov FGBU VNIIPO MCHS Ros-sii, 2012, pp. 221-233.
3. Dmitriev O. V., Popov V. I. Laborator-naya ustanovka i issledovaniya ognetushashchey sposobnosti poroshkovykh sostavov [Laboratory installation and research of the fire-extinguishing ability of powder compositions]. Goreniye i plazmokhimiya, 2012, vol. 10, issue 3, pp. 203208.
Дмитриев Олег Владимирович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
начальник отделения информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС и пожарной безопасности научно-технического отдела. E-mail: olegdmitriev22@gmail.com Dmitriev Oleg Vladimirovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Head of the Department of Information Support for the Population and Information Support Technologies of the RSChS and Fire Safety of the Scientific and Technical Department. E-mail: olegdmitriev22@gmail.com
Попов Владимир Иванович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доцент кафедры пожарной безопасности объектов защиты (в составе учебно-научного комплекса
«Государственный надзор»),
кандидат технических наук, доцент.
E-mail: popovvi49@mail.ru
Popov Vladimir Ivanovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Associate Professor of the Department of Fire Safety of Protected Objects (as part of the educational and
scientific complex "State Supervision"),
candidate of technical sciences, associate professor.
E-mail: popovvi49@mail.ru
Пуганов Михаил Владимирович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
старший преподаватель кафедры пожарной безопасности объектов защиты (в составе учебно-научного комплекса «Государственный надзор»), кандидат педагогических наук. Puganov Mikhail Vladimirovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Senior Lecturer of the Department of Fire Safety of Protected Objects (as part of the educational and scientific complex "State Supervision"), candidate of pedagogical sciences.
