Научная статья на тему 'Влияние структуры стеклопластика на тепловыделение при горении'

Влияние структуры стеклопластика на тепловыделение при горении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
195
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ ГОРЕНИИ / ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / СТЕКЛОПЛАСТИК / HEAT RELEASE RATE / POLYMER COMPOSITE MATERIAL / FIBERGLASS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Барботько С. Л., Изотова Т. Ф.

Показано существенное влияние типа стеклоткани (поверхностная плотность, толщина, тип волокон) на пожаробезопасность полимерных композиционных материалов, а именно на характеристики тепловыделения при горении (максимальную интенсивность и общее количество выделившегося тепла).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Барботько С. Л., Изотова Т. Ф.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Influence of Fiberglass Structure on Heat Release Rate

The influence of fiber glass fabric type (superficial density, thickness, type of fibers) on fire safety characteristics HRR (the maximal intensity and total of release heat at burning) is shown.

Текст научной работы на тему «Влияние структуры стеклопластика на тепловыделение при горении»

С. Л. Барботько

канд. техн. наук, начальниклаборатории "Исследования на пожарную безопасность, климатическую и микробиологическую стойкость" ФГУП "ВИАМ", г. Москва, Россия

Т. Ф. Изотова

ведущий инженер лаборатории "Декоративные, акустические, технические текстильные и термопластичные конструкционные материалы" ФГУП "ВИАМ", г. Москва, Россия

УДК 614.841.41:629.7.042.2

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СТЕКЛОПЛАСТИКА НА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ ГОРЕНИИ

Показано существенное влияние типа стеклоткани (поверхностная плотность, толщина, тип волокон) на пожаро-безопасность полимерных композиционных материалов, а именно на характеристики тепловыделения при горении (максимальную интенсивность и общее количество выделившегося тепла).

Ключевые слова: тепловыделение при горении; полимерный композиционный материал; стеклопластик.

Введение

Обычно при сопоставлении характеристик пожарной опасности различных полимерных композиционных материалов (ПКМ) наибольшее внимание уделяют виду полимерной матрицы и процентному содержанию связующего. Часто считается, что на характеристики пожарной опасности (горючесть, воспламеняемость, дымообразование и др.) инертный наполнитель (не воспламеняющийся и не деструктирующий в пламени) оказывает влияние только с точки зрения снижения горючей составляющей в материале, а влияние структуры ПКМ на процессы горения практически отсутствует. Другими словами, полагают, что при одном и том же содержании одного и того же связующего, при одинаковой толщине (или поверхностной массе) стеклопластика независимо от вида стеклоткани (марка волокна, поверхностная плотность стеклоткани, тип переплетения) либо при использовании ровин-га или рубленого стекловолокна результаты определения характеристик пожарной опасности практически не меняются. Считается, что на изменение показателей пожарной опасности, в крайнем случае, могут оказывать влияние такие характеристики, как теплоемкость и теплопроводность наполнителя. Это мнение обосновывается тем фактором, что масса и состав горючей составляющей постоянны, масса инертного наполнителя всегда одна и та же, следовательно, количество выделяемого тепла и тепловые потери на прогрев наполнителя постоянны.

Однако в ряде случаев изменения структуры полимерного композиционного материала при сохранении процентного содержания его составных час© Барботько С. Л., Изотова Т. Ф., 2011

тей могут оказывать существенное влияние на регистрируемые показатели пожарной опасности. Так, в работе [1] было показано, что структура наполнителя в ПКМ может влиять на такую характеристику горючести, как продолжительность остаточного горения (испытания проводили по методу, используемому для материалов авиационного назначения [2, Прил. Б, Ч. I]).

Теоретическое обоснование работы

В условиях пожара под действием пламени и теплового потока происходит термодеструкция и постепенное выгорание полимерного связующего, в результате чего обнажаются слои инертного наполнителя. Оказавшись на поверхности, они под действием парогазовых продуктов термодеструкции раздвигаются, и площадь их взаимного контакта существенно сокращается. В условиях передачи тепла преимущественно лучистым потоком слои стеклоткани работают как тепловые экраны, в результате чего падающий на полимер тепловой поток многократно уменьшается, что приводит к снижению интенсивности термодеструкции и массовой скорости выгорания. Количество передаваемого тепла в зависимости от количества тепловых экранов меняется по закону [3]:

9вых = 9пад /(1 + П ),

где дпад и двых — падающий и выходящий тепловые

потоки, Вт/м2;

п — количество тепловых экранов.

Для снижения интенсивности выделения тепла при горении сотовых панелей интерьера имеется техническое решение, предусматривающее приме-

Таблица 1. Марки стеклотканей, наиболее широко используемые при изготовлении конструкционных стеклопластиков авиационного назначения

Марка НТД Толщина, Поверхностная Плотность нитей на 1 см Разрывная нагрузка, кН Тип

стеклоткани мм плотность, г/м2 по основе по утку по основе по утку переплетения

Т-10(ВМП)-4с ТУ 5952-183-05786904- -2004 0,25 + 0,02 310-10 36+1 20 + 1 > 3,2 > 1,8 Сатин 8/3

Т-10-80 ГОСТ 19170-2001* 0,25 + 0,02 290 + 7 36+1 20 + 1 > 2,8 > 1,4 То же

Т-64(ВМП)-270 ТУ 5952-009-16319666- -98 0,09 + 0,01 100 + 5 25-1 24 + 1 > 0,9 > 0,5 Сатин 4-ремизный

Т-60(ВМП) ТУ 6-48-05786904-111- 92 < 0,22 215 + 15 24+1 6 + 1 > 2,5 > 0,3 Полотно

Т-15(П)-76 ТУ 6-48-107-94 0,19 + 0,03 160 + 16 24+1 18 + 1 > 0,8 > 0,7 Сатин 5/3

нение промежуточных огнеблокирующих слоев из металлической фольги или другого негорючего материала [4]. Однако использование дополнительных слоев приводит к утяжелению материала. Кроме того, зачастую для их монтажа необходимо использовать клей, что приводит к дополнительному выделению тепла при горении защищаемого элемента конструкции.

Снижение тепловыделения путем использования тепловых экранов при изготовлении композиционных материалов может быть достигнуто другим способом.

В зависимости от поставленных задач при изготовлении ПКМ могут применяться различные стеклоткани. Наиболее часто используемые для изготовления ПКМ авиационного назначения марки конструкционных стеклотканей представлены в табл. 1. Поверхностная плотность (масса 1 м2) и толщина одного слоя в зависимости от марки стеклоткани могут различаться в несколько раз. Следовательно, при использовании более тонкой (легкой) стеклоткани количество слоев для стеклопластиков с одной и той же поверхностной плотностью во столько же раз будет больше.

Увеличение количества слоев стеклоткани при одной и той же массе выгоревшего связующего обеспечивает более эффективное снижение проникающего лучистого теплового потока, а следовательно, и уменьшение скорости деструкции полимера и количества выделяющихся горючих парогазовых продуктов термодеструкции. Другими словами, использование более тонкой (легкой) стеклоткани при изготовлении стеклопластика той же заданной толщины (поверхностной плотности) должно приводить к снижению интенсивности выделения тепла.

Это предположение было проверено расчетами с использованием математической модели прогрева - термодеструкции - тепловыделения материалов [5-7].

Полученные расчетные кинетические кривые процесса тепловыделения при горении данных мо-

120 100 80 60 40 20 0 -20

1/

// /л- \\ Зу-'-Ч

/ " \-V-4

\ \ \ \ \ - ■ _

\

0

60

120 180 Время, с

240

300

Рис. 1. Расчетные данные по влиянию поверхностной плотности стеклоткани на кинетику тепловыделения модельного стеклопластика толщиной 1 мм: 1 — 400 г/м2; 2 — 200 г/м2; 3 — 100 г/м2; 4 — 50 г/м2

дельных стеклопластиков приведены на рис. 1. При выполнении расчетов для приведенных графиков были приняты следующие основные исходные данные:

Расчетная толщина стеклопластика,

мм (г/м2).............................. 1 (1667)

Расчетное количество элементарных слоев .......10

Содержание связующего (одинаковое

во всех элементарных слоях)..................40

Теплота сгорания, кДж/г.....................30

Полнота сгорания ..........................0,8

Коксовое число ...........................0,25

Теплота пиролиза, кДж/г......................2

Температура термодеструкции, °С............400

Теплоемкость пластика, Дж/(г-К).............1,25

Теплопроводность, Вт/(м-К)..................0,2

Количество слоев стеклоткани заданной поверхностной плотности для стеклопластика толщиной 1 мм:

50 г/м2....................................20

100 г/м2...................................10

200 г/м2....................................5

400 г/м2...................................2,5

По расчетным графикам кинетики тепловыделения видно, что в зависимости от количества тепло-отражающих слоев, образующихся в процессе горения материала с различной поверхностной плотностью как стеклопластика, так и использованной стеклоткани, максимальная скорость тепловыделения и общее количество выделившегося тепла (площадь под кривой) за 1 и 2 мин меняются в 1,2.. .1,7 раза.

На самом деле, при использовании тонких и плотных стеклотканей эффект снижения тепловыделения может быть выше за счет повышения гидравлического сопротивления выходу на поверхность образующихся горючих продуктов термодеструкции, в результате чего на слоях стеклоткани образуется дополнительный слой кокса — припек, т. е. повышается коксовое число и снижается полнота сгорания полимерной составляющей.

Полученные расчетные данные необходимо было проверить экспериментально.

Оборудование, методика проведения испытаний и образцы

Испытания образцов композиционных материалов на тепловыделение при горении* проводили на модифицированном проточном калориметре типа OSU марки HRR-3, изготовленном Atlas Electric Devices (США) и эксплуатируемом в ФГУП "ВИАМ" с 1998 г. Подробное описание аппаратуры и методики проведения испытаний приведено в Авиационных правилах [2, Прил. F, Ч. IV]. В соответствии с отечественными авиационными нормами испытания образцов проводятся в течение 5 мин при вертикальном положении образца. Для испытаний используют квадратные образцы размером 150x150 мм и толщиной до 40 мм. Перед испытанием образец заворачивают в алюминиевую фольгу и помещают в держатель таким образом, чтобы оставалась открытой только экспонируемая поверхность размером 140x140 мм. Во время испытания на открытую поверхность образца воздействует постоянный во времени и равномерный по поверхности тепловой поток мощностью 35 кВт/м2. Воспламенение образца инициируется пламенем пилотной горелки. Согласно требованиям [2] при проведении испытаний определяют: максимальную скорость выделения тепла (пик) в кВт/м2 и общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания в кВт-мин/м2 (1 кВт-мин/м2 = 0,06 МДж/м2).

В качестве образцов для испытаний были выбраны стеклопластики на различных связующих: модельный термопластичный некоксующийся материал — полиэтилен высокого давления ПЭВД 1000x70

* Испытания по определению характеристик тепловыделения выполнены сотрудником ФГУП "ВИАМ" О. С. Вольным.

Таблица 2. Экспериментальные данные по тепловыделению стеклопластиков на основе различных типов стеклоткани и полимерных матриц

Марка стеклоткани Количество слоев стеклоткани Содержание связующего, % Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм Максимальная скорость тепловыделения (пик), кВт/м2 Общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин, кВт-мин/м2

Матрица — полиэтилен ПЭВД

Т-10(ВМП)-4с 1 41,5 540 0,37 290 159

2 37,4 1010 0,65 362 245

3 39,2 1560 1,03 306 289

6 35,7 2950 2 268 272

Т-64(ВМП)-270 2 41,4 340 0,23 219 85

4 40,5 670 0,45 284 160

9 41,7 1540 1,04 272 273

20 39,6 3300 2,23 252 254

Т-15(П)-76 2 38,5 540 0,4 170 109

3 38,5 810 0,6 222 177

5 37,1 1320 0,96 196 222

11 38,1 2950 2,25 231 208

Матрица — полисулъфон ПСФ-150

Т-10(ВМП)-4с 1 41,5 540 0,3 46 32

2 37,4 1010 0,52 57 47

3 36,8 1500 0,85 65 58

6 36,6 2990 1,7 67 48

Т-64(ВМП)-270 2 41,4 340 0,2 15 15

4 41,4 680 0,39 26 19

9 39,4 1480 0,84 47 20

20 39,0 3270 1,83 61 5

Т-15(П)-76 2 38,7 542 0,35 21 19

3 35,3 770 0,48 25 21

5 51,5 1710 1,19 45 24

11 43,8 3250 2,1 54 13

Матрица — - фенолъное связующее ФП-520

Т-10-80 2 34,2 875 0,4 62 31

4 33,4 1730 1 70 53

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6 20,0 2160 1,5 97 93

8 18,6 2830 2 131 106

Т-15(П)-76 2 39,6 550 0,3 32 27

3 37,8 800 0,4 34 29

4 45,1 1210 0,8 42 36

6 33,1 1490 1 57 41

10 18,2 2030 1,5 76 53

12 21,6 2540 2 94 91

(по ГОСТ 10354-82), термопластичный коксующийся материал — полисульфон ПСФ-150 (по ТУ 6-06-6-88) и термореактивный материал — феноль-ное связующее ФП-520 (по ТУ 1-595-25-276-95). Для изготовления стеклопластиков использовали стеклоткани Т-10, Т-15(П) и Т-64 (см. табл. 1 и 2). Количество слоев стеклоткани в образцах варьировали от 1 до 20 в зависимости от марки стеклоткани и необходимой толщины образца. Поскольку тепловыделение материала существенным образом зависит от толщины образца, то для проведения исследований были изготовлены образцы разной толщины — от 0,2 до 2 мм. Среднее содержание термопластичного полимерного связующего в образцах составляло 40 %, термореактивного — 30 %. Режимы формования образцов стеклопластиков: на полиэтилене — давление 10 кгс/см2, температура 160 °С, выдержка 10...20 мин (в зависимости от толщины образца); на полисульфоне — давление 15 кгс/см2, температура 290 °С, выдержка 15.30 мин (в зависимости от толщины образца); на фенольном связующем—давление 15 кгс/см2, температура 210 °С, выдержка 1 ч.

Результаты

Экспериментальные данные по характеристикам тепловыделения для различных стеклопластиков приведены в табл. 2. На рис. 2 представлены графики, подтверждающие существенное влияние поверхностной массы стеклоткани из сплошного стекловолокна как на максимальную интенсивность выделения тепла, так и на общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания. Видно, что при использовании более тонкой стеклоткани максимальная интенсивность тепловыделения и общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин испытания снижаются на 20.80 % в зависимости от толщины образца и вида полимерной матрицы.

Наибольшее изменение максимальной интенсивности тепловыделения наблюдается при испытаниях сравнительно тонких образцов (до 1 мм). Для образцов большей толщины (свыше 2 мм) влияние поверхностной плотности стеклоткани на максимальную интенсивность тепловыделения снижается до 10.20 %, что может быть объяснено увеличением доли затрат тепла на прогрев образца в первоначальный период времени.

При изготовлении стеклопластиков может использоваться и стеклоткань на основе полых волокон, например Т-15(П)-76 (см. табл. 1). При заданной толщине стеклопластика такая ткань обеспечивает снижение поверхностной плотности материала на 20.30 %. Полая стеклоткань обладает меньшей теплопроводностью по сравнению со стеклотканя-

£

400 г 350 300 250 200 150 100 50

1

V

-

Г / кр

/

2'0

и

и §

ч Я м о

£

70 г 60 50 40 30 20 10

0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 Толщина, мм

б

1 /

д' —-д

г/ Л /

¿Г-о-" 2' ------

0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Толщина, мм

Рис. 2. Влияние массы стеклоткани Т-10(ВМП)-4с (310 г/м2) (1, 1') и Т-64(ВМП)-270 (97 г/м2) (2, 2') на тепловыделение для стеклопластиков на полиэтилене ПЭВД (а) и полисульфоне ПСФ-150 (б): 1,2 — пик, кВт/м2; 1', 2' —общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

400 г

350

300

250

200

150 :

е2

и §

£

50 500

70 60 50 40 30 20

■--

______О— ,, —

¿/■■''.я''' --«— 2

/2'

1000 1500 2000 2500 Поверхностная плотность, г/м2

3000

10

1^

^ г у Г 2- £

2'

500 1000 1500 2000 2500 3000 Поверхностная плотность, г/м2

3500

Рис. 3. Влияние типа стеклоткани Т-10(ВМП)-4с (1, 1') и Т-15(П)-76 (2,2') на тепловыделение для стеклопластиков на полиэтилене ПЭВД (а), полисульфоне ПСФ-150 (б): 1, 2 — пик, кВт/м2; 1', 2' —общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

дены графики зависимости тепловыделения от поверхностной плотности материала. Видно, что при использовании полой стеклоткани вместо ткани из сплошного стекловолокна в отдельных случаях может быть достигнуто двукратное снижение тепловыделения при горении.

Выводы

Показано, что в зависимости от вида стеклоткани (толщина, поверхностная плотность, тип волокон) при одной и той же толщине стеклопластика и содержании связующего существенным образом изменяются характеристики тепловыделения при горении стеклопластиков.

Варьируя тип стеклоткани, в зависимости от вида связующего и толщины ПКМ можно добиться существенного снижения тепловыделения материалов как по максимальной интенсивности, так и по общему количеству выделяемого тепла за первые 2 мин.

Наибольшая эффективность снижения тепловыделения при горении за счет использования тонких стеклотканей наблюдается у стеклопластиков толщиной до 1 мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барботько С. Л., Дементьева Л. А., Сереженков А. А. Горючесть стекло- и углепластиков на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. — 2008. — № 7.— С. 29-31.

2. Авиационные правила. Гл. 25: Нормы летной годности самолетов транспортной категории // Межгосударственный авиационный комитет. — Изд. 3-е с поправками 1-6. — М.: ОАО "Авиа-издат", 2009. — 274 с.

3. ЛыковА. В. Теория теплопроводности. — М. : Высшая школа, 1967. — 600 с.

4. Pat. 5 527 598 US. Composite sandwich element / Campbell F. S., Brownell P., Jordan R. E. — Jun. 18, 1996. URL : http://scholar.google.com.

5. Барботько С. Л. Моделирование процесса горения материалов при испытаниях по оценке тепловыделения // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 3. — С. 10-24.

6. Барботько С. Л., Вольный О. С., Изотова Т. Ф. Математическое моделирование тепловыделения при горении для полимерных композиционных материалов различной толщины // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 4. — С. 16-20.

7. Барботько С. Л. Оценка погрешностей сделанных допущений в математической модели тепловыделения при горении полимерных материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 5. — С. 19-22.

Материал поступил в редакцию 25 июля 2011 г.

Электронный адрес авторов: [email protected].

£

140 г 120 100 80 60 40

20 500

......

А—

4

t-- ......

1000 1500 2000 2500 3000 Поверхностная плотность, г/м2

Рис. 4. Влияние типа стеклоткани Т-10-80 (1, 1') и Т-15(П)-76 (2, 2') на тепловыделение для стеклопластиков на феноль-ном связующем ФП-520: 1, 2 — пик, кВт/м ; 1', 2'— общее тепловыделение за первые 2 мин, кВт-мин/м2

ми на сплошном стекловолокне (Т-10, Т-64), в соответствии с этим изменяется и динамика прогрева материала. Влияние замены сплошной стеклоткани на полую на характеристики тепловыделения приведено в табл. 2 и на рис. 3 и 4. Для объективного сравнения стеклопластиков с одинаковым содержанием полимерной составляющей на рис. 3 и 4 приве-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.