CC BY
0УДК 614.84
Колесникова К.М.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России им. героя РФ генерала армии Е.Н. Зиничева (г. Санкт-Петербург, Россия)
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЖАРООПАСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СКАНИРУЮЩЕГО КАЛОРИМЕТРА
Аннотация: в статье представлен сравнительный анализ пожароопасных характеристик различных типов горючих материалов (полимеров, древесины и текстиля) на основании данных, полученных с использованием дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). Исследованы ключевые параметры, такие как температура воспламенения и тепловой поток, выделяемый в процессе окисления. Полимерные материалы продемонстрировали высокие температуры воспламенения и интенсивное тепловыделение, что делает их наиболее пожароопасными. Древесина и текстильные материалы показали меньшую интенсивность теплового потока, но быстрее воспламенялись. Полученные результаты позволяют глубже понять поведение материалов при воздействии высоких температур и могут быть использованы для повышения уровня пожарной безопасности.
Ключевые слова: сравнительный анализ, температура, материалы, калориметрирование.
Пожарная безопасность является важнейшим аспектом при выборе материалов для различных отраслей промышленности, строительства и повседневного использования. Основная угроза заключается в способности материалов воспламеняться, выделять тепло и поддерживать горение. Одним из эффективных методов анализа пожароопасных характеристик материалов является дифференциальное сканирующее калориметрирование (ДСК). Данный метод позволяет исследовать тепловые характеристики материалов при
воздействии высоких температур и выявить ключевые параметры, влияющие на их поведение в условиях пожара.
Целью данной статьи является сравнительный анализ пожароопасных характеристик различных типов горючих материалов (полимеров, древесины, текстиля и других) с использованием данных, полученных методом дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). В ходе работы будут рассмотрены температуры воспламенения, тепловой поток и другие важные характеристики материалов в процессе окисления, что позволит сделать выводы о поведении каждого из исследуемых материалов в условиях пожара.
Калориметрия является методом физико-химического анализа, используемым для измерения теплоты, выделяемой в ходе химических реакций и фазовых переходов. В дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) теплота определяется через тепловой поток, который представляет собой производную от количества теплоты по времени, что делает его дифференциальной величиной. Тепловой поток вычисляется на основе разницы температур, фиксируемых в двух точках измерительной системы в один и тот же момент времени:
Ф~ДГ = Г(х2) - Т(х 1) = /(*), (1)
Измерения могут проводиться как в изотермическом режиме, так и при программируемом изменении температуры, что характерно для динамического режима. Современные калориметры позволяют настраивать различные температурные программы для исследования образцов. В рамках экспериментов с ДСК применялось линейное изменение температуры с постоянной скоростью:
TF = Т0 + fit, (2)
где TF — температура нагревателя, Т0 — начальная температура системы, fit — скорость изменения температуры, t— время.
Скорость нагрева может варьироваться от 0,001 до 100 °С/мин [130]. В наших экспериментах использовался диапазон скоростей от 5 до 20 °С/мин, в зависимости от условий среды (воздух или инертная атмосфера).
Для проведения ДСК используется две ячейки — одна с исследуемым образцом (sample), а другая для эталонного образца или пустого тигля (reference). Эталонный образец подбирается с аналогичными теплофизическими свойствами [2].
В результате проведения ДСК формируются экспериментальные кривые, пики на которых формируются при протекании в исследуемых образцах процессов, связанных с выделением или поглощением теплоты.
Для описания кривой ДСК используются три температуры: Tonset -начальная температура, Tpeak - температура пика, Tend - конечная температура. Tonset и Tend соответствуют пересечению экстраполированной базовой линии (виртуальной линии, проведенной через предполагаемый интервал, когда теплота процесса равна нулю) и касательных, проведенных через точку перегиба. Площадь пика на кривой ДСК, ограниченная экспериментальной кривой и базовой линией, пропорциональна теплоте протекаемой реакции [2].
Направление пика на кривой ДСК зависит непосредственно от типа прибора. В ДСК по тепловому потоку поглощение энергии сопровождается поглощением тепла, поэтому пик на кривой ДСК направлен вниз. Обратный порядок применяется при рассмотрении экзотермических событий, при которых происходит высвобождение энергии. Современные программные
продукты для проведения ДСК позволяют переворачивать кривые по своему усмотрению [4].
Для исследования были выбраны три типа горючих материалов:
1. Полимерные материалы (например, полиэтилен, полипропилен),
2. Древесные материалы (например, сосна, дуб),
3. Текстильные материалы (например, хлопок, полиэстер).
Для проведения анализа использовался дифференциальный сканирующий калориметр. Основной целью эксперимента было определение температуры начала разложения, температуры воспламенения, а также измерение теплового потока, выделяемого в процессе окисления и горения каждого материала.
Температура воспламенения — это температура, при которой материал выделяет достаточное количество летучих веществ, способных загореться в присутствии источника воспламенения. ДСК позволяет определить этот параметр с высокой точностью, что является важным аспектом при оценке пожарной опасности материалов.
Таблица 1. Показатели температуры воспламенения и теплового потока материалов [1].
№п/п Материал Температура разложения Температура воспламенения
1. Полимерные материалы 350 °С 400 °С
2. Древесные материалы (сосны) 280 °С 320 °С
3. Текстильные материалы (хлопок) 270 °С 300 °С
4. Синтетический текстиль (полиэстера) 330 °С 370 °С
В процессе горения был зафиксирован значительный тепловой поток, что свидетельствует о высокой интенсивности выделения тепла при горении полимеров. Древесина также выделяла значительное количество тепла при горении, однако интенсивность теплового потока была ниже, чем у полимеров. В процессе горения хлопок выделял тепло с умеренной интенсивностью.
Выделение тепла в процессе окисления является ключевым показателем пожароопасности материала. Чем больше тепла выделяется при горении, тем более интенсивным и опасным становится процесс. ДСК позволяет количественно оценить тепловой поток и сделать выводы о том, как быстро материал может передавать тепло окружающей среде, что напрямую влияет на распространение пожара.
Полимеры показали наиболее высокий уровень теплового потока в процессе окисления. Например, полиэтилен и полипропилен выделяли большое количество энергии, что связано с наличием в их структуре большого количества химических связей, разрыв которых сопровождается интенсивным тепловыделением.
Древесина, хотя и горела интенсивно, выделяла меньше тепла по сравнению с полимерами. Это можно объяснить более сложной структурой клетчатки, которая разрушается с меньшей энергией. Также древесина имеет больше инертных компонентов (например, воды и минеральных веществ), что снижает общее количество выделяемого тепла.
Текстильные материалы показали различные результаты в зависимости от типа. Хлопок горел с умеренным тепловыделением, что характерно для натуральных волокон, в то время как полиэстер выделял больше тепла при окислении, что делает его более опасным с точки зрения распространения огня.
Сравнительный анализ пожароопасных характеристик полимеров, древесины и текстиля показал, что наибольшую пожароопасность демонстрируют полимерные материалы, такие как полиэтилен и полипропилен. Они обладают высокой температурой воспламенения и интенсивным
тепловыделением, что может способствовать быстрому распространению огня в случае пожара.
Древесина, хотя и является горючим материалом, выделяет меньше тепла при горении по сравнению с полимерами, что делает ее менее опасной с точки зрения интенсивности пожара. Однако древесина быстрее воспламеняется и требует особого внимания при использовании в строительстве и отделке помещений.
Текстильные материалы варьируются по пожароопасным характеристикам. Натуральные волокна, такие как хлопок, имеют относительно низкую температуру воспламенения, но выделяют меньше тепла, чем синтетические волокна, такие как полиэстер. Это делает синтетические текстильные материалы более пожароопасными.
Таким образом, результаты, полученные с использованием дифференциального сканирующего калориметра, позволяют точно оценить пожароопасные характеристики различных материалов и учесть их при проектировании систем пожарной безопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Методика определения условий теплового самовозгорания веществ и материалов / Ю.Р. Шебеко [и др.]. М.: ВНИИПО, 2004. 67 с;
2. Емелина А.Л. Дифференциальная сканирующая калориметрия. М.: Лаборатория химического факультета, МГУ, 2009. 42 с;
3. ГОСТ Р 56724-2015 (ИСО 11357-3:2011). Пластмассы. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Часть 3. Определение температуры и энтальпии плавления и кристаллизации. М.: Стандартинформ, 2016. 7 с;
4. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Руководство для начинающих. РегктЕ!тег, 2010. 18 с.
Kolesnikova K.M.
St. Petersburg University State Fire Service EMERCOM of Russia
named after E.N. Zinichev (St. Petersburg, Russia)
COMPARATIVE ANALYSIS OF FIRE-HAZARDOUS CHARACTERISTICS OF VARIOUS COMBUSTIBLE MATERIALS USING DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETER
Abstract: article presents a comparative analysis of the fire-hazardous characteristics of various types of combustible materials (polymers, wood and textiles) based on data obtained using a differential scanning calorimeter (DSC). Key parameters such as the ignition temperature and the heat flux released during the oxidation process are investigated. Polymer materials have demonstrated high ignition temperatures and intense heat generation, which makes them the most flammable. Wood and textile materials showed a lower intensity of heat flow, but ignitedfaster. The results obtained allow for a deeper understanding of the behavior of materials when exposed to high temperatures and can be used to increase the level of fire safety.
Keywords: comparative analysis, temperature, materials, calorimetry.
