CC BY
16
СЕЛЕКТИВНОСТЬ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н.А. Кропотова, преподаватель, к.х.н., Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
г. Иваново
Современное общество внедряет в нашу жизнь новые искусственные материалы, которые во многом заменяют натуральные, но пожары не исчезли. Одним из основных источников опасности стали полимерные материалы. Практически все полимеры, благодаря их углеводородной природе, являются хорошо горючими веществами. Существенным фактором, сдерживающим внедрение разнообразных полимерных материалов, является их пожарная опасность, обусловленная горючестью и сопутствующими процессами. Пожарная опасность материалов и изделий из них определяется в технике многими показателями [1], но нам представляется вероятным исследование селективности при выборе полимерного материала обладающего пониженной горючестью -исследование огнестойкости.
Снижение пожарной опасности полимерных материалов является задачей по оптимизации комплекса характеристик создаваемого материала. Один из наиболее дешевых способов - введение в полимер инертных наполнителей. Под инертными наполнителями понимают такие, которые не оказывают существенного влияния на состав и количество продуктов пиролиза полимеров в газовой фазе и величину коксового остатка в условиях горения. Их можно разделить на две группы:
1) минеральные наполнители, устойчивые до температуры 1000 °С - оксиды металлов, фториды кальция и лития, силикаты, технический углерод, неорганическое стекло, порошкообразные металлы и т.п.;
2) вещества, разлагающиеся при температурах ниже 400-500 0С с поглощением тепла и обычно с выделением углекислого газа и/или паров воды, аммиака - гидроксиды, карбонаты, гидрокарбонаты металлов, аммонийфосфаты и т.д. [2].
На рисунке 1 приведены данные по изменению кислородного индекса (КИ) при введении в полиэтилен и полиоксиметилен (полиформальдегид, полиацеталь) окиси алюминия (кривые 3 и 4 соответственно); штриховой линией (5) обозначен кислородный индекс материала, который может применяться в различных областях, например в строительстве, удовлетворяя международным стандартам по горючести (КИ = 27). Как видно, такая величина кислородного индекса достигается при степени наполнения 85-90 мас. %. Однако при больших степенях наполнения материал становится слишком хрупким, его физико-механические свойства обычно не удовлетворяют необходимым требованиям. Больший эффект может быть получен введением наполнителя, разлагающегося с поглощением тепла, например А1(ОН)3, от которого отщепляется вода.
10
о-1-1-1-1-1
0 20 40 60 80 100
Концентрация наполнителя, мае. %.
Рис. 1. Зависимость горючести (КИ) полиоксиметилена (1, 3) и полиэтилена (2, 4) от концентрации А1(ОН)3 (1, 2) и Al2Oз (3, 4). Пунктирная линия 5 соответствует «самозатухающему» материалу (КИ = 27)
В этом случае тепло расходуется как на нагрев наполнителя, так и на разложение наполнителя и нагрев образующейся воды до температуры пламени, а заметное повышение кислородного индекса наблюдается при содержании А1(ОН)3 около 55-65 мас. %. Введение 60 % Al(OH)3 в полиэтилен не приводит к существенному повышению кислородного индекса (КИ увеличивается с 17,5 до 25-26), в то время как КИ полиформальдегида, обладающего значительно меньшей теплотой сгорания, при этом увеличивается от 15,3 до < 40 [2].
Другой способ увеличения потерь тепла и снижения температуры пламени -увеличение инфракрасного излучения. Если в наиболее горячей области пламени не содержится твердых частиц, то вблизи предела горения (Тпл = 1000-1100 0С) потери на излучение ничтожны. Интересно, что при этом возрастает поток излучения от пламени и на полимер. Поэтому, хотя пределы горения смещаются в сторону повышения кислородного индекса, скорости горения выше предела увеличиваются при введении таких соединений.
Рассмотрим еще один способ снижения горючести полимерных материалов - воздействие на направление деструкции полимера в сторону увеличения количества кокса. Образование коксовой шапки на поверхности полимера между пламенем и пиролизующимся материалом экранирует последний от теплового потока, изменяет тепловой баланс в сторону увеличения теплопотерь, например, теплопотерь излучением от поверхности кокса, которая оказывается нагретой до значительно больших температур, чем поверхность полимера, или конвективных теплопотерь и т.д.
Следовательно, образование кокса в конденсированной фазе - важный процесс, существенно влияющий на механизм горения. На рисунке 2 приведена корреляционная прямая, связывающая эти два параметра. В первом приближении вклад различных групп, входящих в состав полимера, аддитивен. Такой подход позволяет до определенной степени прогнозировать горючесть новых полимеров и направленно их синтезировать [4].
го
(J
О -I-1-1-1-1-1
О 20 40 60 BO 100
Коксовый остаток,%
Рис. 2. Зависимость кислородного индекса полимеров от выхода коксового остатка при пиролизе. 1 - полиформальдегид; 2 - полиэтилен, полипропилен; 3 - полистирол, полиизопрен;
4 - полиамид; 5 - целлюлоза; 6 - поливиниловый спирт; 7 - полиэтилентерефталат; 8 -полиакрилонитрил; 9 - полифениленоксид огнезащищенный; 10 - поликарбонат; 11 - номекс огнезащищенный; 12 - полисульфон; 13 - кинол (фенолформальдегидный полимер); 14 -
полиимид; 15 - углерод
Поиски путей, ограничивающих горючесть полимеров и уменьшающих выделение дыма и токсичных продуктов при горении, продолжаются во всем мире и на это тратятся значительные финансовые и интеллектуальные средства. Работа по созданию рецептуры для синтеза полимерного материала с заданными характеристиками, а также синтезу полимера проводится на базе Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России. Нами сделаны предположения, что включение в состав полимерного материала слоистого силиката приводит к повышению огнестойкости. Эффект слоистых силикатов полезен в основном для замедления распространения пламени развивающихся пожаров.
Список использованной литературы
1. Асеева Р.М., Заиков Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука,
1981.
2. Баратов А.Н., Андрианов Р.А., Корольченко А.Я., Михайлов Д.С., Ушков В.А., Филин Л.Г. Пожарная опасность строительных материалов. М.: Стройиздат, 1988.
3. ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1989. Т. 34. № 5. - С. 560.
4. Берлин Ал. Ал., Вольфсон С.А., Ошмян В.Г., Ениколопян Н.С. Принципы создания композиционных материалов. М.: Химия, 1990.
