CC BY
28
dr inz. Renata DOBRZYNSKA
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Wydzial Techniki Morskiej i Transportu Katedra Technicznego Zabezpieczenia Okr^tow
TOKSYCZNOSC PRODUKTOW ROZKLADU TERMICZNEGO
I SPALANIA PIANEK POLIURETANOWYCH STOSOWANYCH DO WYROBU MEBLI TAPICEROWANYCH
The toxicity of products of thermal decomposition and combustion of polyurethane foams used in manufacturing of upholstered furniture
Streszczenie
Podczas pozaru czlowiek narazony jest na dzialanie mieszaniny toksycznych gazow takich jak: tlenek w^gla, dwutle-nek w^gla, cyjanowodor, dwutlenek azotu, chlorowodor, dwutlenek siarki, itd. Wydzielane s^. one podczas rozkladu termicznego i spalania materialow znajduj^cych si§ w pomieszczeniu obj^tym pozarem. Najwi^ksze zagrozenie tok-syczne podczas pozaru pomieszczen mog^. stanowic meble tapicerowane. Przyczyn^. zagrozenia toksycznego w czasie pozaru mog^. byc produkty rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych stosowanych do wyrobu mebli tapicerowanych. Wyniki badan wskazuj^, ze juz w pocz^tkowej fazie rozwoju pozaru pianek poliuretanowych st^ze-nia tlenku w^gla i cyjanowodoru s^. cz^sto smiertelne dla czlowieka. Obecnie obowi^zuj^ce w budownictwie przepisy nie wymagaj^. oceny toksycznosci produktow rozkladu termicznego i spalania materialow stosowanych w budyn-kach mieszkalnych. Tymczasem dane statystyczne dotycz^ce ofiar pozarow wskazuj^. na znaczny procentowy udzial smiertelnosci spowodowanej dymem i toksycznosci^. produktow pozaru. W zwi^zku z tym istnieje potrzeba opracowa-nia metody oceny ilosciowej toksycznego zagrozenia pozarowego. Parametrem oceny materialow z punktu widzenia stwarzanego przez nie pozarowego zagrozenia toksycznego moze byc krotnosc przekroczenia st^zenia granicznego produktow rozkladu termicznego i spalania jednostki masy materialu spalonego w danych warunkach termicznych w pomieszczeniu o okreslonej obj^tosci. Zastosowanie w praktyce krotnosci przekroczenia st^zenia granicznego produktow rozkladu termicznego i spalania materialow do oceny toksycznego zagrozenia pozarowego pozwoli na dobor odpowiednich materialow wyposazenia wn^trz, moze wplyn^c na zmniejszenie poziomu pozarowego zagrozenia toksycznego pomieszczen oraz umozliwi przeprowadzenie bezpiecznej ewakuacji ludzi z pomieszczen obj^tych pozarem w pocz^tkowej jego fazie.
Summary
During the fire the man is exposed to a mixture of toxic gases such as: carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen cyanide, nitrogen dioxide, sulphur dioxide, hydrogen chloride, etc. They are emitted during thermal decomposition and combustion of materials which they are in the room of the fire. The highest fire toxic hazard is caused by upholstered furniture. The cause of the toxic fire hazard may be the products of thermal decomposition and combustion of polyurethane foams used in manufacturing of upholstered furniture. Results of the research indicate that already in the initial phase of fire progress of polyurethane foams the concentration of carbon monoxide and hydrogen cyanide are often lethal for humans. Valid in building at present recipes do not require the evaluation of toxicity of products thermal decomposition and combustion materials used in habitable buildings. Meanwhile, statistic data concerning victims of fires indicate a significant percentage of mortality caused by smoke and fire products toxicity. In this connection, is a need to develop a method of quantitative evaluation. Parameter of quantitative evaluation of materials in view of toxic fire hazards may be exceed multiplication factor of critical concentration of products of thermal decomposition and combustion materials in room of specific volume after burning under specific thermal conditions material mass unit. Practical application of the exceed multiplication factor of critical concentration of products of thermal decomposition and combustion materials of quantitative evaluation of materials, would decrease fire toxic hazard level in rooms and it permits on selection of suitable materials of equipment interiors, to in initial phase of fire to assure people safe evacuation from fire rooms.
Slowa kluczowe: toksycznosc produktow pozaru, toksyczne zagrozenie pozarowe, bezpieczenstwo pozarowe; Keywords: toxicity of fire products, fire toxic hazard, fire safety;
Wprowadzenie
Toksycznosc produktow rozkladu termicznego i spa-lania materialu zalezy od skladu chemicznego jego pod-stawowego skladnika, natury chemicznej roznego rodzaju dodatkow, plastyfikatorow i wypelniaczy uzytych w celu osi3gni?cia poz^danych jego wlasciwosci uzytkowych oraz od warunkow, w jakich ten rozklad termiczny i spa-lanie zachodzi [12].
Obecnie na rynku jest bogaty wybor pianek poliure-tanowych, ktore stosowane s^. do wyrobu mebli tapice-rowanych. Wyniki badan wlasnych wskazuj^ ze mog^. one podczas pozaru powodowac powazne zagrozenie dla zdrowia i zycia ludzi, ze wzgl?du na emisj? toksycznych gazow - glownie tlenku w?gla i cyjanowodoru, ktorych st?zenia juz w pocz^tkowej fazie rozwoju pozaru s^. cz?sto smiertelne dla czlowieka [2-4]. Ponadto, znajdu-j^ce si? w meblach tapicerowanych pianki poliuretano-we z dodatkiem srodka ogniouodporniaj^cego, podczas bezplomieniowego rozkladu termicznego mo g^. wydzie-lac duze ilosci dymu, ktory moze utrudniac lub nawe-uniemozliwic bezpieczn^. ewakuacj? [5]. Tymczasem przepisy obowi^zuj^ce w budownictwie nie stawiaj^. wy-magan materialom stosowanym do wyposazenia wn?trz w mieszkaniach, zapewniaj^cych pozarowe bezpieczen-stwa toksyczne [10]. W zwi^zkuztymdowyrobumebli tapicerowanych przeznaczonych do mieszkan, mozna stosowac dowolne pianki poliuretanowe bez wzgl?du na toksycznosc ich produktow rozkladu termicznego i spalania. Jakie s^. tego konsekwencje wskazuj^. dane statystyczne dotycz^ce ofiar pozarow pomieszczen mieszkalnych. Znaczny procentowy udzial smiertelnosci spowodowanej jest dymem i toksycznosci^. produktow pozaru (60% - 80%) [1,6,7,9,11].
Badania toksycznosci produktow rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych stosowanych do wyrobu mebli tapicerowanych
W celu okreslenia zagrozenia powodowrnzgo tok-sycznosci^. produktow rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych stosowanych do wyrobu mzbli tapicerowanych przeprowadzono badania wlasne tapi-cerskich pianek poliuretanowych b?d^cych produktami handlowymi dost?pnymi na polskim rynku (pianka PU 1 - Pianka PU 12). Badania przeprowadzono metod^. wg PN-B-02855 [8]. Metoda ta jest przeznaczone do klasy-fikacji materialow. Na podstawie wynikow badan okresla si? czy produkty rozkladu termicznego i spalania bada-nych materialow s^. umiarkowanie toksyczne, toksyczne, czy bardzo toksyczne. Jest to zatem metod;- jako&iowa i nie daje podstaw do okreslenia rzeczywistego zagrozenia pozarowego. Jednak otrzymane wyniki badan mozna zastosowac rowniez do oceny ilosciowej toksyczneko zagrozenia pozarowego.
Zasada metody polega na ilosciowym, chemicz-nym oznaczeniu produktow rozkladu term-caneek lob spalania materialow decyduj^cych o toksycznosci sro-
dowiska pozaru. Rozklad termiczny i spalanie probek przeprowadza si? w piecu z programowan^ w trzech temperaturach: 450oC, 550oC i 750oC. W czasie badan okresla si? st?zenia tlenku w?gla, dwutlenku w?-gla, chlorowodoru, cyjanowodoru, dwutlenku azotu i dwutlenku siarki. Na tej podstawie wyznacza si? emi-sj% wiasciwq (Ei) wymienionych produktow rozkladu termicznego i spalania. Emisja wlasciwa oznacza mas? toksycznego produktu wytworzon^. w czasie rozkladu termicznego i spalania jednostki masy materialu w da-nych warunkach badania:
77 mt . -s
E = — > g g mP
(1)
gdzie:
Ei - emisja wlasciwa i-tego toksycznego produktu rozkladu
termicznego i spalania, g . g-1 mi - masa i-tego toksycznego produktu rozkladu termicz-
nego i spalania, g mp - masaprobkibadanego materialu, g
Wartosci srednie emisji wlasciwej produktow rozkla-du termicznego i spalania wybranych pianek poliuretano-wych przedstawionow Tabeli1.
Aby stwierdzic, czy st?zenia gazow wydzielaj^cych si? podczas rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych mog^. byc szkodliwe dla zdrowia lub zycia ludzi narazonych na ich dzialanie, nalezy je odniesc do ich st?zen granicznych. Stgzenie graniczne LC 30 danej sub-stancji toksycznej oznacza st?zenie powoduj^ce smierc 50% populacji przy 30 minutowej ekspozycji (Tabela 2).
Tabela 2.
St£zeniagraniczneproduktowrozkladutermicznego i spalania materialow
Table 2.
Criticalconcentration ofproductsofthermaldecom-position and combustion of materials
Produkty rozkladu termicznego i spalania (Products of thermal decompo-sitionand combustion) St^zeniagraniczne lc 30i (Critical concentration)
g. m-3 ppm
Tlenek w?gla CO 3,75 2999
Dwutlenek w?gla co2 196,4 99963
Cyjanowodor HCN 0,16 133
Dwutlenek azotu no2 0,205 100
Chlorowodor HCl 1 614
W celu oceny toksycznosci produktow rozkladu termicznego i spalania badanych pianek poliuretanowych wyznaczono krotnoscprzekroczenia stgzenia granicznego (Xg_) i-tego produktu rozkladu termicznego i spalania 1 kg materialu spalonego w danych warunkach termicz-nych w pomieszczeniuo obj?tosci 30 m3 (Vp0m):
Tabela 1.
Emisja wlasciwa produktow rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych
Table 1.
Emission of products of thermal decomposition and combustion of polyurethane foams
Lp. Material (Material) Temperatura rozkladu termicznego, oC (Thermal decomposition temperature) Emisja wlasciwa produktow rozkladu termicznego i spalania, g/g (Emission of products of thermal decomposition and combu stion)
CO CO2 HCN NO2 HCl
1 pianka PU 1 450 0,068 0,010 0,0002 0,0000 0,0005
550 0,143 0,092 0,0006 0,0000 0,0002
750 0,015 1,492 0,0015 0,0001 0,0017
2 pianka PU 2 450 0,018 0,004 0,0004 0,0000 0,0018
550 0,055 0,123 0,0023 0,0000 0,0015
750 0,060 1,319 0,0056 0,0000 0,0101
3 pianka PU 3 450 0,015 0,014 0,0085 0,0000 0,0033
550 0,050 0,271 0,0472 0,0000 0,0052
750 0,039 0,534 0,0621 0,0001 0,0119
4 pianka PU 4 450 0,022 0,010 0,0008 0,0000 0,0033
550 0,066 0,125 0,0089 0,0000 0,0039
750 0,018 0,934 0,0065 0,0003 0,0034
5 pianka PU 5 450 0,061 0,077 0,0199 0,0001 0,0048
550 0,178 0,130 0,0201 0,0001 0,0057
750 0,091 1,834 0,0698 0,0001 0,0126
6 pianka PU 6 450 0,077 0,127 0,0020 0,0000 0,0056
550 0,053 0,256 0,0115 0,0000 0,0091
750 0,048 1,246 0,0113 0,0000 0,0115
7 pianka PU 7 450 0,090 0,166 0,0005 0,0000 0,0006
550 0,215 0,406 0,0151 0,0000 0,0002
750 0,045 1,401 0,0057 0,0005 0,0011
8 pianka PU 8 450 0,113 0,119 0,0003 0,0000 0,0005
550 0,214 0,436 0,0038 0,0000 0,0014
750 0,095 3,166 0,0124 0,0000 0,0052
9 pianka PU 9 450 0,012 0,020 0,0007 0,0000 0,0042
550 0,068 0,126 0,0061 0,0000 0,0044
750 0,071 0,903 0,0123 0,0001 0,0077
10 pianka PU 10 450 0,001 0,002 0,0006 0,0000 0,0022
550 0,074 0,261 0,0084 0,0000 0,0243
750 0,275 1,662 0,0385 0,0000 0,0078
11 pianka PU 11 450 0,036 0,020 0,0006 0,0000 0,0014
550 0,106 0,322 0,0064 0,0000 0,0006
750 0,073 1,558 0,0022 0,0000 0,0072
12 pianka PU 12 450 0,025 0,289 0,0006 0,0000 0,0013
550 0,138 0,289 0,0083 0,0000 0,0013
750 0,065 1,188 0,0130 0,0000 0,0091
n Abywamnekbezpieczenstwatoksycznegopodczas poza-
x —_' (2) ru byl spelniony:
gr _ '~Vpom • lc50 xgr _ , < 1 (3)
Wyniki przedstawiono w Tabeli 3.
Tabela 3.
Krotnosc przekroczenia stçzenia granicznego produktow rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych
Table 3.
Exceed multiplication factor ofcriticalconcentrationofproductsofthermaldecompositionandcombustion
of polyurethane foams
Lp. Material (Material) Temperatura rozkladu termicznego, oC (Thermal decomposition temperature) Krotnosc przekroczenia stçzenia granicznego (Exceedmultiplication factor of critical concentration)
1 pianka PU 1 CO CO2 HCN NO2 HCl
450 0,6 0,002 0,04 0,000 0,02
550 1,3 0,016 0,13 0,000 0,01
750 0,1 0,253 0,31 0,016 0,06
2 pianka PU 2 450 0,2 0,001 0,08 0,000 0,06
550 0,5 0,021 0,48 0,000 0,05
750 0,5 0,224 1,17 0,000 0,34
3 pianka PU 3 450 0,1 0,002 1,77 0,000 0,11
550 0,4 0,046 9,83 0,004 0,17
750 0,3 0,091 12,94 0,014 0,40
4 pianka PU 4 450 0,2 0,002 0,17 0,003 0,11
550 0,6 0,021 1,85 0,004 0,13
750 0 2 0 159 1,35 0,049 0,11
5 pianka PU 5 450 0,5 0,013 4,15 0,011 0,16
550 1,6 0,022 4,19 0,013 0,19
750 14,54 0,012 0,42
0,8 0,311
6 pianka PU 6 450 0,7 0,022 0,42 0,000 0,19
550 0,5 0,043 2,40 0,002 0,30
750 0,4 0,211 2,35 0,002 0,38
7 pianka PU 7 450 0,8 0,028 0,10 0,000 0,02
550 1,9 0,069 3,15 0,000 0,01
750 0,4 0,238 1,19 0,078 0,04
8 pianka PU 8 450 1,0 0,020 0,06 0,000 0,02
550 1,9 0,074 0,79 0,000 0,05
750 0,8 0,537 2,58 0,000 0,17
9 pianka PU 9 450 0,1 0,003 0,15 0,000 0,14
550 0,6 0,021 1,27 0,002 0,15
750 0,6 0,153 2,56 0,015 0,26
10 pianka PU 10 450 0,0 0,000 0,12 0,001 0,07
550 0,7 0,044 1,76 0,001 0,81
750 2,4 0,282 8,01 0,006 0,26
11 pianka PU 11 450 0,3 0,003 0,12 0,002 0,05
550 0,9 0,055 1,33 0,002 0,02
750 0,6 0,264 0,46 0,004 0,24
12 pianka PU 12 450 0,2 0,049 0,13 0,001 0,04
550 1,2 0,049 1,73 0,001 0,04
750 0,6 0,202 2,72 0,007 0,30
Na podstawie otrzymanych wynikow mozna stwier-dzic, ze badane pianki poliuretanowe vroc^iekjripod^cc^i^s? rozkladu termicznego i s^ania dwuOonek w^g^ ewutlo-nek azotu i chlorow odor w ilosciach, ktore nie zagrazaj^. zyciu czlowieka. Sz esc badanych pianek poliuretanowych moze podczas pozaru powodowac toksyczne zagrozenie pozarowe ze wzglodu na emisj? tlenku w^gla. W ich przy-padku krotnosc przekroczenia st^zenia granicznego CO jest wi^ksza od 1, a to oznacza, ze warunek pozarowego
retanowej, to wbrew pozorom nie jest duzo. Tylko w sie-d^p^isku fotela topieeoowanego o wymiarach 45x45x7,5 cm moze onafdowac fie ca oMo Op kg do 1,5 kg pianki poliuretanowej. W zwi^zku z tym niezwykle istotne jest, aby stosowac w meblach tapicerowanychi taU:ie pianki po-liuretanowe, ktore w pocz^tkowej fazie roZwoju pozaru nie b^d^. wydzielaly gazow w smiertelnydi zlla czlowieka st^zeniach i umozliwi^. mu bezpieczn^ ewZkuacj? z po-mieszczenia obj^tego pozarem.
Rys. 1.Krotnosc przekroczenia st^zenia granicznego tlenku w^gla Fig. 1. Exceed multiplication factor of critical concentration of carbon monoxide
g 3,0 2,5
>
2,0
O 0,5
550 750
Temteratura rozkfadu termicznego, oC
I pianka PU 1 I pianka PU 2 pianka PU 3 I pianka PU 4 I pianka PU 5 pianka PU 6 I pianka PU 7 I pianka PU 8 pianka PU 9 I pianka PU 10 pianka PU 11 pianka PU 12
Ryc. 1. Krotnosc przekroczenia st^zenia granicznego tlenku w^gla Fig. 1. Exceed multiplication factor of critical concentration of carbon monoxide
Rys. 2. Krotaosc prieOrocieaif st^zeaif urgaiciaeuo cyjgaowodoru Fig. 1. Exceed multiplication factor of critical ecaceakrfkica of hydrogen cygaide
■ pianka PZ i
■ pianka PZ l liania PZ l
■ liania PZ 4
■ liania PZ 5 liania PZ 6
■ liania PZ 7 Ipiania PZ 8
piania PZ 9
■ piania PZ iO piania PZ ii piania PU il
Temperatura rozktadu termicznego, oC
Rys. 2. Krotnosc przekroczenia st^zenia granicznego cyjanowodoru Fig. 2. Exceed multiplication factor of critical concentration of hydrogen cyanide
bezpieczenstwa toksycznego nie jest spelniony (Rys. 1). Najwi^ksze zagrozenie dla zycia ludzkiego moze podczas pozaru badanych pianek poliuretanowych powodowac emisja cyjanowodo rn. Po spaleniu 1 kg wi^kszosci badanych pianek w pomieszczeniu o obj°tosci 30 m3 ste^issut^«; graniczne cyjaoowodoru zoetame prze kroczone wMofaot-nie (Rys. 2). Nalezy zwrocic uwag§, ze 1 kg pianki poliu-
Wnioski
• Tapicerskie pianki poliuretanowe pi^oduktami
handlowymi dost^pnymi na polskim ryriku mog^. stwa-rzac powazne zagroze nie toksyczne w czasie jpo zaru. k Na-weiokszezcgrozewepodazaepoeam pianek po-liuretanowych stosowanych do wyrobu mebli tapi-
1,5
1,0
0,0
cerowanych moze powodowac emisja tlenku wçgla i cyjanowodoru.
• Stçzenia tlenku wçgla i cyjanowodoru wydzielanych podczas rozkladu termicznego i spalania pianek poliuretanowych przekraczaj^. stçzenia graniczne tych gazów, co moze powodowac smiertelne zagrozenie w czasie pozaru.
• Krotnosc przekroczenia stçzenia granicznego po-zwala na dokonanie oceny toksycznego zagrozenia pozarowego.
Literatura:
1. Asgary A., Ghaffari A., Levy J., Spatial and temporal analyses of structural fire incidents and their causes: A case of Toronto, Canada, Fire Safety Journal 45 (2010) 44-57;
2. Dobrzynska R., Ocena poziomu zagrozenia toksyczne-go pomieszczen mieszkalnych na statku w poczqtkowej fazie rozwoju pozaru. Perspektywy rozwoju systemów transportowych, Materialy VIII Konferencji Okrç-townictwo i Oceanotechnika Szczecin: Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecinskiej, 2006 s. 67-75;
3. Dobrzynska R., Ocena zagrozenia toksycznego w czasie pozaru ukiadów tapicerskich stosowanych do wyrobu mebli tapicerowanych, Archiwum Spalania Vol. 10 (2010) nr 1-2 s. 1-9;
4. Dobrzynska R., Selection of outfitting and decorative materials for ship living accommodations from the point of view of toxic hazard in the initial phase of fire, Polish Maritime Research Vol. 16, No 2 (2009), s. 72-74;
5. Dobrzynska R., Wpiyw ilosci srodków ogniouodpor-niajqcych na wydzielanie toksycznych produktów rozkiadu termicznego pianek poliuretanowych, XLII
Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemiczne-go I Stowarzyszenia Inzynierow I Technikow Prze-myslu Chemicznego, Rzeszow 1999;
6. Irvine D.J., McCluskey J.A., Robinson I.M., Fire hazards and some common polymers. Polymer Degradation and Stability 67 (2000) 383-396
7. Kobes M., Helsloot I., de Vries B., Post J.G.: Building safety and human behaviour in fire: A literature review, Fire Safety Journal 45 (2010) 1-11
8. PN-88/B-02855. Metoda badania wydzielania toksycznych produktow rozkladu i spalania materialow
9. Polka M., Piechocka E., Co czyha we wnçtrzul, Prze-gl^d pozarniczy (2008) 8, str. 28-31;
10. Rozporz^dzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 mar-
ca 2009 r. w sprawie warunkow technicznych, jakim powinny odpowiadac budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 56, poz. 461 z pozn. zm.)
11. Stec A.A., Hull T.R., Fire toxicity, University of Central Lancashire, UK 2010;
12. Sychta Z., Spowolnienie procesu rozkiadu termicznego i spalania materiaiow podstawowym warunkiem bezpieczenstwa pozarowego obiek-tow technicznych. Prace Naukowe Politechniki Szczecinskiej nr 570, Szczecin, 2002.
dr inz. Renata DOBRZYNSKA
jest adiunktem w Katedrze Technicznego Zabezpiecze-nia Okrçtow Wydzialu Techniki Morskiej i Transportu Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Glown^. tematyk^. jej zainteresowan na-ukowych jest inzynieria bezpieczenstwa pozarowego ze szczegolnym uwzglçdnieniem toksycznosci produktow pozaru.
