СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 614.841.41

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В. Г. СПИРИДОНОВА, О. Г. ЦИРКИНА, А. Л. НИКИФОРОВ, С. Н. УЛЬЕВА

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

При разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности для объектов различного функционального назначения значительное внимание уделяется пожароопасным свойствам веществ и материалов, которые производятся, хранятся или обрабатываются на данных объектах. От качества оценки пожарной опасности применяемых материалов зависит правильность подбора системы предотвращения пожара и противопожарной защиты. Текстильные материалы в зависимости от их функционального назначения широко используются в быту и промышленности. Методики оценки пожароопасных свойств волокнистых материалов и текстильных изделий подбираются исходя из области применения текстиля и отражены в межгосударственных и национальных стандартах. В соответствии с имеющимися методами исследований на основании отдельного нормативного документа по определению пожарной опасности текстильного материала можно дать качественную оценку только по одному из параметров: воспламеняемость, огнестойкость, способность к распространению пламени по поверхности, устойчивость к воздействию теплового потока. Вместе с тем, отсутствует комплексная методика оценки пожароопасных свойств текстильных материалов, в результате которой может быть определен ряд показателей, характеризующих воздействия высоких температур на ткани и изделия из них.

В данной статье представлены данные по использованию комплексной методики оценки пожароопасных свойств текстильных материалов и изделий из них с применением современных методов испытаний с целью получения наиболее полных данных для выбора эффективных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объектов защиты.

Ключевые слова: текстильные материалы, воспламеняемость, кислородный индекс, термогравиметрический анализ, экспресс-методики.

COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODS AND TOOLS FOR ASSESSING THE FIRE HAZARD OF POLYMER MATERIALS

V. G. SPIRIDONOVA, O. G. TSIRKINA, A. L. NIKIFOROV, S. N. ULIEVA

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 Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

When developing measures to ensure fire safety for objects of various functional purposes, considerable attention is paid to the fire-hazardous properties of substances and materials that are produced, stored or processed at these objects. The quality of the fire hazard assessment of the materials used depends on the correct selection of the fire prevention and fire protection system. Textile materials, depending on their functional purpose, are widely used in everyday life and industry. Methods for assessing the fire-hazardous properties of fibrous materials and textiles are selected based on the field of application of textiles and are reflected in interstate and national standards. In accordance with the available research methods, on the basis of a separate regulatory document for determining the fire hazard of a textile material, it is possible to give a qualitative assessment of only one of the parameters: flammability, fire resistance, the ability to spread flames over the surface, resistance to heat flow. At the same time, there is no comprehensive methodology for assessing the fire-hazardous properties of textile materials, as a result of which a number of indicators can be determined that characterize the effects of high temperatures on fabrics and products made from them.

© Спиридонова В. Г., Циркина О. Г., Никифоров А. Л., Ульева С. Н., 2021

This article presents data on the use of a comprehensive methodology for assessing the fire-hazardous properties of textile materials and products made from them with the use of modern test methods in order to obtain the most complete data for the selection of effective measures to ensure fire safety of protective objects.

Key words: textile materials, flammability, oxygen index, thermogravimetric analysis, express methods.

Анализ статистических данных по пожарам показывает, что в 2020 году на территории Российской Федерации было зарегистрировано 439394 пожара. Наибольшее количество из них - 76,53 % произошло в зданиях и сооружениях жилого назначения. При этом 69,72 % от общего числа пожаров в стране имело место по причине неосторожного обращения с огнем. Значительное число возгораний связано с нарушением правил и условий эксплуатации электрооборудования, печей и дымовых труб, поджогами. Несмотря на то, что по сравнению с 2019 годом общее число пожаров уменьшилось на 6,8 %, статистика пожаров на территории Российской Федерации свидетельствует о том, что количество возгораний на объектах защиты остается значительным .

Исследование пожароопасных свойств различных веществ и материалов является актуальной задачей. Значительное число работ посвящено изучению поведения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, горючих газов, металлических и деревянных конструкций при высоких температурах и при температурах горения. Классификация материалов по пожарной опасности содержится в Федеральном законе №123-Ф3 от 22.07.2008 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Помимо строительных материалов (деревянных, металлических и др.), в статье 132 рассматриваются текстильные и кожевенные материалы.

Пожарная опасность текстильных материалов характеризуется воспламеняемостью и способностью к распространению пламени. Методы испытаний по определению классификационных показателей пожарной опасности текстильных материалов устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности, включенными в Перечень, утвержденный Распоряжением Правительства Российской Федерации № 304-р от 10 марта 2009

1

Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2020 году». М.: МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2021. 264 с.

2 Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ

«Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (ред. от 30.04.2021).

года. При этом в указанном Перечне приводятся нормативные документы для классификации текстильных материалов для специальной одежды, в которых принимаются во внимание дополнительные показатели пожарной опасности, не указанные в нормативных правовых актах: огнестойкость, устойчивость к воздействию теплового потока, теплозащитная эффективность.

Для оценки пожарной опасности текстильных материалов использования одной методики недостаточно. В связи с этим необходимо применять комплексный подход к оценке пожароопасных свойств текстильных материалов, учитывающий наличие на поверхности или в объеме материала специальных видов отделки, в частности, водо-, грязе-, маслоотталкива-ющей, огнезащитной отделки и др.

С целью разработки комплексного подхода к оценке пожароопасных характеристик текстильных материалов в качестве образца для проведения испытаний использовалось текстильное полотно «авизент» (арт. 6700) -материал из волокон целлюлозного происхождения, состоящий из 100 % хлопка и имеющий поверхностную плотность 410 г/м2.

Согласно справочным данным «ави-зент» относится к горючим материалам: группа горючести - Г4 (сильногорючие), группа воспламеняемости - В3 (легковоспламеняемые) [1]. Целлюлоза, входящая в состав «авизента», способна выдерживать кратковременный нагрев до 200°С. При длительном нагреве до температуры 100°С происходят необратимые структурные изменения, приводящие к потере прочности волокна и снижению его гидро-фильности. При увеличении температуры до 250°С наблюдается пиролитическое разложение целлюлозы, а при достижении температуры 400°С - самовозгорание [2].

Распоряжение Правительства РФ от 10.03.2009 № 304-р (ред. от 11.06.2015) «Об утверждении перечня национальных стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения Федерального закона «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и осуществления оценки соответствия».

С целью предварительной оценки пожароопасных свойств «авизента» были применены разработанные экспресс-методики: нихро-мовый тест; испытания на прожигаемость, горение и тление; определение способности к распространению пламени по поверхности ткани.

Для проведения нихромового теста используется экспериментальная установка, состоящая из нихромовой проволоки, груза для ее натяжения, медь-константановой термопары, реостата и скользящего заземленного контакта. Образец испытываемого текстильного материала складывается вдвое и размещается складкой на нихромовой проволоке [4]. Результаты нихромового теста позволяют с минимальными временными затратами оценить изменение свойств материала при воздействии диапазона температур от 200 до 500°С с шагом в 100°С. При установлении максимальной температуры 500°С время до прогорания испытываемого образца составило 2,5 секунды.

Были проведены дополнительные испытания образцов ткани «авизент» на прожи-гаемость, горение и тление, а также способность к распространению пламени. При оценке прожигаемости образец в алюминиевой рамке размерами 20 на 10 см размещается вертикально, для проведения испытаний на способность к распространению пламени — горизонтально. Помимо рамки для фиксации образца, лабораторная установка содержит следующие основные элементы: камера (вытяжной шкаф), экран, горелка, газовый баллон. Продолжительность воздействия открытого пламени горелки на образец варьируется от 3 до 30 секунд при оценке прожигаемости и составляет 15 с при оценке устойчивости ткани к распространению пламени. Установлено, что для испытываемых образцов при воздействии откры-

того пламени наблюдалось изменение цвета -потемнение (результат термодеструкции целлюлозы) через 3,5-4 с. Начиная с 4-5 секунды отмечалось слабое дымообразование [3]. Длина обугленного участка составила 80 мм. Отмечалось остаточное горение и тление после удаления источника зажигания.

Использование экспресс-методик позволяет получить предварительную оценку способности текстильного материала к возгоранию и визуально оценить скорость распространения пламени. С целью снижения пожароопасных свойств и повышения огнестойкости на ткани и изделия из них наносят различные огнезащитные составы. Для оценки эффективности применяемых антипиренов определяют показатели пожарной опасности исходного необработанного материала и ткани, прошедшей огнезащитную обработку.

Одним из показателей пожароопасных свойств текстильных материалов является кислородный индекс (КИ). КИ - это минимальное содержание кислорода, при котором образец может поддерживать горение при воздействии открытого пламени. Для хлопкового волокна данная величина составляет 18,4 % [4].

Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 12.1.044-2018 «Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения»4. Для проведения испытаний было подготовлено 10 образцов ткани «авизент» размерами 17*5 см. Температура в камере поддерживалась в пределах (23±2°С). В ходе эксперимента определены значения концентрации кислорода, при которых образец способен (КИг) и неспособен (КИнг) к горению. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты полученных значений кислородного индекса для «авизента»

Значение КИ, % Поведение материала при огневом воздействии Средняя скорость распространения пламени, мм/с

21 Пламенное горение при воздействии источника зажигания, затем тление, без опадения частиц материала 0,4

22 Пламенное горение, без опадения частиц материала 0,6

4 ГОСТ 12.1.044-2018. Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. По-жаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения (введен в действие Приказом Росстандарта от 05.10.2018 № 717-ст).

Кислородный индекс рассчитывается по формуле (1):

КИ =

(К И г + К Инг)

(1)

где КИг - конечное значение концентрации кислорода, при которой образец способен к горению, %;

КИнг - конечное значение концентрации кислорода, при которой образец неспособен к горению, %.

КИЯ

(2 2 + 2 1)

= 2 1 , 5 %%.

Средняя скорость распространения пламени при величине кислородного индекса 21,5% составляет 0,5 мм/с.

Необходимо отметить, что в соответствии с действующими нормативными документами по значениям величин КИ не представляется возможным провести классификацию материала по пожарной опасности и отнести его к какой-либо категории.

Для комплексной оценки пожарной опасности текстильных материалов и изделий из них и получения численных данных, характеризующих изменение пожароопасных свойств материалов в процессе нагрева, сле-

дует проводить термические исследования для каждой категории в отдельности, учитывая химическую природу материала, форму выпуска (волокно, пряжа, нити), а для тканей поверхностную плотность, вид нанесенной отделки. Одним из видов термических исследований является термогравиметрический анализ (ТГА). Данный метод анализа заключается получении зависимости изменений массы исследуемого вещества или материала при увеличении температуры. Результатом анализа являются термогравиметрические (ТГ) кривые -зависимости массы навески от температуры и времени. Для интерпретации результатов ТГ-анализа проводится обработка ТГ-кривых. К примеру, производная скорости изменения массы позволяет установить момент времени или температуру, при которой изменение веса происходит с максимальной скоростью. По своей сущности термогравиметрия является количественным методом анализа, так как с ее помощью можно точно определить изменение массы. Исходя из этого, с помощью термогравиметрических кривых можно определить количественный фазовый состав различных веществ и материалов [5]. Общий вид термогравиметрических кривых для материала «ави-зент» представлен на рис. 1 [6].

Рис. 1. Общий вид термогравиметрических кривых, где 1 - термогравиметрическая зависимость; 2 - дифференциальная термогравиметрическая зависимость; 3 - тепловой поток

Образец ткани «авизент» проходил испытания при температурах от 70 до 1000°С. В результате полная потеря массы образца ткани «авизент» составила 78,8 %. При этом наибольшая потеря массы наблюдалась при нагреве в диапазоне температур 70-350°С -

Были определены температуры, при которых образец терял 1, 30, 50, 70 % массы. Для «авизента» получены следующие значения: 1 % - 238,4°С; 30 % - 321,7°С; 50 % -336,4°С; 70 % - 444,6°С (рис. 2).

500 450 400 и 350

£ зоо

га 250 с_ с.

= 200

100 50 О

Использование методик, содержащихся в нормативных документах, позволяет получить лишь общее представление о пожароопасных свойствах материалов, их поведении при высоких температурах и в условиях горения и отнести к одной из категорий: легковоспламенямый или трудновоспламеняемый; не распространяющий, медленно распространяющий и быстро распространяющий пламя по поверхности5. Данная классификация является условной и не позволяет проводить сравнительный анализ свойств внутри каждой категории.

5 Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (ред. от 30.04.2021).

63,2 %; при температуре 350-600°С - 10,2 %; при температуре 600-1000°С - 5,4 %. Пик на кривой скорости изменения массы образца отмечается при температуре 331,691°С. Тепловые эффекты представлены в табл. 2.

Таким образом, для анализа пожароопасных свойств текстильных материалов, в том числе с различными видами отделки, может применяться комплексная оценка, позволяющая получить более широкий набор данных.

Перечень характеристик, получаемых в результате совместного применения разработанных экспресс-методик, оценки кислородного индекса и проведения термических испытаний, намного шире и содержит в себе конкретные числовые показатели, которые можно сравнить между собой:

- время до прогорания образца, с;

- время начала процесса дымообразо-вания, с;

- время начала изменения цвета испытываемого образца, с;

- длина обугленного участка образца, мм;

- величина кислородного индекса, %;

- средняя скорость распространения пламени, мм/с;

Таблица 2. Тепловые эффекты

Образец Число пиков Heat, Дж/г Peak Max

Авизент 1 19,046 (300-350°C) 331,691 оС (300-350°C)

444,6

1% ЗОЙ 50% 70%

Процент потери массы, %

Рис. 2. Потеря массы образцом при увеличении температуры

- полная потеря массы образца, %;

- температуры начала и конца процесса термического разложения, °С;

- максимальная скорость потери массы,

мг/мин;

- температура максимальной скорости потери массы, °С;

- величина теплового потока, МВт;

- тепловые эффекты протекающих реакций, Дж/г.

Представленный перечень может быть увеличен за счет включения дополнительных данных, которые получают при использовании стандартных методик оценки огнестойкости ма-териалов6. Полученные результаты комплексной методики позволят наиболее полно оценить пожароопасные свойства испытываемых текстильных материалов и изделий из них.

Список литературы

1. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. М.: Асс. «Пож-наука», 2004. Ч. 2. 774 с.

2. Егоров Н. В. Отделка хлопчатобумажных тканей: справочник. Иваново: изд-во «Талка», 2003. 484 с.

3. Применение разработанных экспресс-методик оценки огнезащитных свойств текстильных материалов / В. Г. Спиридонова, О. Г. Циркина, А. Л. Никифоров [и др.] // Современные проблемы гражданской защиты, 2020. № 1(34). С. 77-84.

4. Орленко Л. В. Терминологический словарь одежды. М.: Легпромбытиздат, 1996. 344 с.

5. Хайруллина З. З. Метод термического анализа. Методические указания к лабораторной работе. Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2020. 26 с.

6. Оценка пожароопасных свойств текстильных материалов на основе растительных волокон / В. Г. Спиридонова, О. Г. Циркина, А. Л. Никифоров [и др.] // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XV Международной научно-практической конференции, посвященной 30-й годовщине МЧС России. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская по-жарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2020. С.128-132.

References

1. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov i sredstva ih tusheniya [Fire and explosion hazard of substances and materials and means of extinguishing them]. M.: Ass. «Pozhnauka», 2004. P. 2. 774 p.

2. Egorov N. V. Otdelka hlopchatobuma-zhnyh tkanej: spravochnik [Cotton finishing: a guide]. Ivanovo: izd-vo «Talka», 2003. 484 p.

3. Primenenie razrabotannyh ekspress-metodik ocenki ognezashchitnyh svojstv tekstil'n-yh materialov [Application of the developed express-methods for assessing the fire-retardant properties of textile materials] / V. G. Spiridonova, O. G. Cirkina, A. L. Nikiforov [et al.]. Sovremennye problemy grazhdanskoj zashchity, 2020, vol. 1(34), pp. 77-84.

4. Orlenko L. V. Terminologicheskij slovar' odezhdy [Terminological dictionary of clothing]. M.: Legprombytizdat, 1996. 344 p.

5. Hajrullina Z. Z. Metod termicheskogo analiza. Metodicheskie ukazaniya k laboratornoj rabote [Thermal analysis method. Methodical instructions for laboratory work]. Kazan': Kazanskij nacional'nyj issledovatel'skij tekhnologicheskij universitet, 2020. 26 p.

6. Ocenka pozharoopasnyh svojstv tekstil'nyh materialov na osnove rastitel'nyh volo-kon [Assessment of fire hazard properties of textile materials based on plant fibers] / V. G. Spiridonova, O. G. Cirkina, A. L. Nikiforov [et al.]. Pozharnaya i avarijnaya bezopasnost': sbornik materialov XV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 30-j godovshchine MCHS Rossii. Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2020, pp. 128-132.

6 ГОСТ 11209-2014 «Ткани для специальной одежды. Общие технические требования. Методы испытаний» (принят протоколом №72-П от 14.11.2014 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации).

Спиридонова Вероника Гербертовна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

адъюнкт очной формы обучения

E-mail: [email protected]

Spiridonova Veronika Gerbertovna

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

postgraduate student

E-mail: [email protected]

Циркина Ольга Германовна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

доктор технических наук, профессор, доцент

E-mail: [email protected]

Tsirkina Ol'ga Germanovna

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

doctor of technical sciences, professor, associate professor E-mail: [email protected]

Никифоров Александр Леонидович

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново

доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник E-mail: [email protected] Nikiforov Aleksandr Leonidovich

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

doctor of technical sciences, professor, senior researcher E-mail: [email protected]

Ульева Светлана Николаевна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат химических наук, доцент

E-mail: [email protected]

Ulieva Svetlana Nikolaevna

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

candidate of chemical sciences, associate professor

E-mail: [email protected]