CC BY
46
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 8_
УДК 111.11.11
Ю.И. Стулов*, А.П. Денисюк, Нгуен Зюи Туан
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1
*yuгi.stulov@gmail.com
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОЖАРОТУШАЩИХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ПЛАСТИФИЦИРОВАННОЙ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ И НИТРАТА КАЛИЯ НА ИХ СВОЙСТВА
Изучены свойства пожаротушащих топлив на основе пластифицированной фенолформальдегидной смолы при изменении коэффициента избытка окислителя (а) в узких (0,95 - 1,014) пределах. Показано, что это приводит к существенному изменению скорости горения топлив при атмосферном давлении (в ~1,8 раза), их огнетушащей способности (в ~1,7 раза). Расчётное содержание СО в продуктах горения изменяется от 0,005 до 0,85 моль/кг топлива. Установлено, что ОТС топлива и воздействие продуктов его горения на бумагу зависит от относительной влажности воздуха.
Ключевые слова: пожаротушашие топлива, скорость горения, огнетушащая способность.
ОТС ■ п ■ 22,4 -10 3
В последние десятилетия большое внимание уделяется использованию объемных методов тушения пожаров, в частности, методу, в котором используются аэрозольобразующие пожаротушашие топлива (АПТ). При их горении в газогенераторе образуются частицы, которые обрывают цепные реакции, протекающие в пламени, тем самым, прекращая горение.
В большинстве случаев заряды АПТ изготавливают глухим прессованием.
В РХТУ им. Д.И.Менделеева разработаны составы, перерабатываемые в готовые изделия с использованием вальцевания и проходного прессования. Среди них наиболее перспективными являются композиции на основе
пластифицированной термопластичной
фенолформальдегидной смолы (ФФС), не содержащие дополнительные полимерные компоненты. Это дает возможность обеспечить высокие (0,9 - 1) величины коэффициента избытка окислителя (а) и значительно снизить в продуктах их горения долю токсичных и пожаровзрывоопасных компонентов (СО и Н2) или исключить их полностью. Свойства этих составов изучены достаточно детально [1 - 4].
Однако, некоторые характеристики топлив не исследованы. Например, не ясно можно ли использовать АПТ в офисах, библиотеках и др. учреждениях для подавления очагов загорания документов, книг и т. п., так как в продуктах горения топлив содержатся конденсированный K2COз, пары H2O и KOH, которые при охлаждении с СО2 образуют KHCO3 (кроме того, влажность воздуха в защищаемом помещении может быть различна). Для ответа на этот вопрос необходимо изучить воздействие аэрозоля на перечисленные объекты.
Рассмотрим также ещё один аспект, связанный с допустимым содержанием СО в составе продуктов горения топлив. По современным требованиям его содержание (ш) при использовании топлива не должно превышать 200 ppm в 1 м3 защищаемого объема. Это количество (ppm) при использовании АПТ вычисляется по формуле:
Ш=
1м
где ОТС - огнетушащая способность топлива, кг/м3 (см. ниже), п - число молей СО при сгорании 1 кг топлива, 22,4-10-3 м3 - мольный объем газа при нормальных условиях. Например, при содержании СО в 1 м3 защищаемого объема, равном 200 ррш, количество молей СО в продуктах горения при ОТС равной 0,01 кг/м3 должно быть <09 молей. Обычно в газогенераторе используется двукратный избыток топлива от расчетного. В этом случае предельное содержание СО в продуктах горения должно быть не более 0,45 моль/кг, что можно обеспечить при а близком к 1. В связи с этим необходимо было выяснить, как изменение а отразится на скорости горения топлива при атмосферном давлении, при котором работают пожаротушашие генераторы, на его ОТС и других свойствах.
В связи с выше перечисленным в работе изучены свойства 10 образцов топлив, в которых значение а изменялось от 0,951 до 1,014 за счёт изменения содержания ФФС (от 8 до 9,7%), триэтиленгликоля (от 2,6 до 3,9%), НК (от 81,6 до 82,6%), дициандиамида (от 4,3 до 4,7%). В каждом образце содержалось по 0,5% стеарата цинка и по 1% фторопласта-4. Расчётная температура горения образцов изменялась от 1669до 1713 К, а содержание СО в продуктах горения - от 0,005 до 0,847 моль/кг (Рис. 1).
Образцы топлив изготавливали в лабораторных условиях следующим образом. Навески порошкообразных компонентов смешивали шпателем на полиэтиленовой пленке, затем добавляли расчетное количество триэтиленгликоля и хлористого метилена (1:1 к массе), после чего полученная масса тщательно перемешивалась до состояния мокрого песка. Далее смесь подвергалась вальцеванию при температуре ~80 оС (межвалковый зазор - 0,1 мм), в результате чего хлористый метилен испарялся и получалось полотно, из которого проходным прессованием на механическом прессе 2Б-10/90 получали шнуры диаметром ~ 7 мм .
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 8
0,35 -
0,65 ч о,во -
\
\
\
\
\
V
\
0,10 - \
V
0,00 - -О-
Рис. 1 - Зависимость количества СО от коэффициента избытка окислителя а
Скорость горения топлив определяли на цилиндрических шашках диаметром ~7 мм, высотой h = 30 - 40 мм. Для того, чтобы обеспечить горение заряда с торца заряды бронировались по боковой поверхности. Это осуществлялось помещением пороховой шашки, смазанной вазелиновым маслом или другой маловязкой смазкой, в ПВХ трубку диаметром на ~1 мм меньше, чем пороховая шашка. При этом за счет упругой деформации стенок достигается плотное и надежное прилегание шашки к стенкам и обеспечивается послойное торцевое её горение. Для определения скорости использовалась высокоскоростная камера CASIO Exilim EX-F1 с режимами 300, 600 и 1200 кадров/с.
Огнетушащую способность (ОТС) топлива оценивали путём определения зависимости времени тушения (т) пламени горелки на изопропане от массы сгоревшего топлива в шкафу объемом 300 л. За числовую характеристику ОТС (г/м3) принимали массу заряда, отвечающую характерному перелому на кривой lg x(m) (Рис. 2) и отнесенную к рабочему объёму шкафа. Чем меньше величина ОТС, тем выше пожаротушащая эффективность топлива.
ОТ С,г/м3
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Рис. 2 - Определение огнетушащей способности
топлива
Влияние продуктов сгорания топлив на бумагу оценивали следующим образом. Дно шкафа застилали листами белой бумаги, в котором сжигали образец массой 6 г (20 г/м3) при включенном вентиляторе для усреднения аэрозоля. Через 10 с после сгорания образца вентиляторы отключали и аэрозоль выдерживали в течение 1 часа до полного исчезновения в шкафу дыма и тумана. Осевшие на листы бумаги частицы аккуратно собирали, растворяли в воде и определяли рН с помощью рН -метра. Влажность листов бумаги оценивали визуально.
Из рис. 1 видно, что при уменьшении значения а от 0,99 до 0,95 расчётное содержание СО в продуктах горения топлив резко возрастает (в 8,5 раз). Как уже отмечалось допустимое значение содержания СО в продуктах горения (200 ppm) при 0ТС=0,01 кг/м3 может быть равным 0,45 - 0,9 моль/кг.
При атмосферном давлении все образцы горят устойчиво, при этом с увеличением а (от 0,95 до 1,01) скорость горения значительно (в 1,8 раза) уменьшается от 2,4 мм/с до 4,4 мм/с, а ОТС ухудшается, увеличиваясь от 9 до 15 г/м3.
11,мм/с
0.9 5 0.96 0.97 0.9S 0.99 1.00
Рис. 3 - Зависимость ОТС и скорости горения и от коэффициента избытка окислителя а:
1 - ОТС, 2 - скорость горения и.
Изучение влияния влажности воздуха на ОТС проводили на топливе с а=0,992.
Значения pH водных растворов осевших частиц лежит в пределах от 9,6 до 11.
Из рис.4 видно, что при увеличении влажности воздуха с 18 до 50% ОТС сначала несколько улучшается (на 16%), а затем не изменяется, при этом
при влажности воздуха не более 30 - 35% в условиях опыта листы бумаги, на которые оседают частицы аэрозоля, не увлажняются и частицы легко ссыпаются с них, не оставляя следов. С увеличением влажности воздуха листы бумаги увлажняются и тем сильнее, чем выше влажность, частицы становятся «мокрыми»
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 8
и легко растираются при небольшом усилии, оставляя серые следы на бумаги.
11,5
Эти результаты необходимо учитывать применении АПТ в библиотеках и офисах.
при
ОТС,г/м' \
\j
ti Л ЯЖ
ость воздуха^
Рис. 4 - Зависимость ОТС топлива от относительной влажности воздуха
Заключение.
На основании проведённых исследований можно считать, что оптимальная величина а для топлив указанного состава должна быть в пределах 0,97 - 1,0 , что позволяет обеспечить содержание СО в продуктах горения не более 0,45 моль/кг топлива и возможность регулировать скорость горения топлив в пределах 3 - 4 мм/с при высокой и почти постоянной
их огнетушащей способности (~9 - 10 г/м3). При использовании газогенераторов в библиотеках, офисах необходимо учитывать зависимость отрицательного воздействия продуктов горения топлив на книги, документы и т.п. от влажности воздуха в помещении.
Стулов Юрий Иванович студент группы И-65 кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Денисюк Анатолий Петрович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Нгуен Зюи Туан студент группы И-65 кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. С.В. Дмитриев, Н.Н. Шаманов, А.П. Денисюк, Д.Л. Русин, Ю.Г. Шепелев. «Изучение свойств малотоксичных пожаротушащих топлив в зависимости от системы связующего». //Успехи в химии и химиче6ской технологии. МКХТ-99 - 1999. - Часть 4. С.20.21.
2. И.А. Сергеев, Д.Л. Русин, А.П. Денисюк «Исследование и оптимизация аэрозольобразующих пожаротушащих композиций». //Успехи в химии и химической технологии. - 2001. - Том. XV., № 4. С. 56-56-57.
3. Денисюк А.П., Русин Д.Л., Нгуен Дык Лонг, Филаткин И.И., Шепелев Ю.Г. «Высокоэффективные аэрозольобразующие пожаротушащие топлива». //Проблемы энергетических материалов. В сборнике трудов Всероссийской НТК «Успехи в специальной химии и химической технологии. - 2005. - Ч. 2.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, С. 35-39.
4. Денисюк А.П., Шепелев Ю.Г., Русин Д.Л. «Высокоэффективные аэрозольобразующие огнетушащие составы проходного прессования с регулируемыми свойствами». //Пожарная безопасность. - 2014. -№3. С.79-85.
Stulov Yuriy Ivanovich, Denisjuk Anatoliy Petrovich, Nguen Zjui Tuan
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *Vuri.stulov@gmail.com
INFLUENCE OF THE COMPOSITION OF FIRE EXTINGUISHING FUELS ON THE BASIS OF PLASTICIZED IDITOL AND POTESSIUM NITRATE ON ITS PROPERTIES
Abstract
The properties of fire extinguishing fuels on the basis of plasticized iditol when excess oxidant ratio (a) changing within narrow limits (0,95 - 1,014) were studied. Has been shown that it leads to a significant change of the burning rate of fuels combustion at armospheric pressure (~1,8 times), their fire extinguishing ability (~1,7 times). Estimated content of CO in the combustion products varies from 0,005 to 0,85 mole/kg fuel.Found that FEA of the fuel and its combustion products influence on paper depends on the relative humidity.
Key words: fire extinguishing fuels, combustion speed, fire extinguishing ability.
