Экспериментальное изучение зажигания полимерных материалов накаленными телами и влияние антипиренов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Воспламенение полимерных материалов

1.2. Стандартные методы оценки воспламеняемости полимерных материалов

1.3. Экспериментальные исследования воспламеняемости полимерных материалов. Влияние внешних условии

1.4. Воспламенение ингибированных и композиционных полимерных материалов

1.5. Теория воспламенения полимерных материалов

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Метод кислородного индекса

2.2. Метод распространения пламени по поверхности полимерного образца

2.3. Установка для определения склонности к зажиганию полимерных материалов накаленным телом

2.4. Установка для изучения зажигания горючих газовых смесей накаленным телом

2.5. Методики определения коксообразования полимеров

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Температура зажигания полимеров накаленным телом

3.1.1. Влияние вида контакта нагревателя и полимера на температуру зажигания

3.1.2. Физико-химическая природа параметра -температура зажигания полимеров

3.1.3. Влияние содержания кислорода в окружающей газовой среде на температуру зажигания

3.1.4. Влияние ингибиторов на температуру зажигания

3.1.5. Влияние инертных наполнителей на температуру зажигания

3.1.6. Температура зажигания армированных органическими волокнами и бумажно-слоистых композиционных материалов

3.2. Период индукции зажигания полимеров накаленным телом

3.2.1. Тепловая природа периода индукции зажигания полимеров

3.2.2. Влияние свойств полимера и вида его контакта с накаленным телом на период индукции зажигания

3.2.3. Влияние внешних условий на период индукции зажигания полимеров накаленным телом

3.2.4. Влияние ингибиторов на период индукции зажигания

3.2.5. Влияние инертных наполнителей на период индукции зажигания

ВЫВОДЫ

На протяжении последних 20-25 лет нарастающими темпами увеличивается производство полимерных материалов, которые используются практически во всех областях народного хозяйства. Особенно крупно масштабно возрастает использование полимерных материалов для отделки внутреннего интерьера хозяйственных и жилых помещений, а также салонов различных видов транспорта.

Столь быстрое развитие новых полимерных материалов несколько опередило накопление информации о их свойствах, с другой стороны существующие требования к эксплуатационным характеристикам полимеров зачастую сдерживают применение полимерных материалов. Оказалось, что полимерные материалы являются горючими системами, при этом около 80% пожаров возникают от малокалорийных источников (небольшие горящие, тлеющие или раскаленные тела, электрическая искра) случайно возникающих в жилых и хозяйственных помещениях.

Однако, до настоящего времени, основные закономерности процесса воспламенения (зажигания) полимеров малокалорийными источниками (в частности накаленными телами) являются не изученными. Поэтому для оценки склонности к воспламенению полимерных материалов, главным образом, используется эмпирический подход, оперирующий интегральными параметрами, включающими процессы воспламенения, распространения пламени и выгорания, а значит на их основе отсутствует возможность однозначно ответить на вопрос - какое из свойств полимера и какая из вышеперечисленных стадий определяют его пожарную опасность.

Поскольку воспламенение полимерных материалов является первой стадией в процессе горения, то работы, направленные на экспериментальное и теоретическое изучение основных закономерностей процесса воспламенения полимерных материалов различными тепловыми источниками, а также вводящие новые параметры, с ясной физической природой, оценивающие склонность к воспламенению, дают научно-обоснованные направления поиска путей снижения воспламеняемости полимерных материалов и позволяют оценивать реальную пожароопасность материалов в конкретных условиях и поэтому являются весьма актуальными.

ВЫВОДЫ

1. Разработана экспериментальная установка для исследования процесса зажигания полимерных материалов накаленным телом.

2. Выявлены общие закономерности зажигания полимерных материалов накаленным телом. Показано, что склонность к зажиганию полимеров может быть оценена двумя предельными параметрами с ясной физической природой, разделяющей процессы в газовой (температура зажигания - Тд) ив конденсированной (период индукции зажигания - i3) фазах. Причем, Т3 определяется склонностью к зажиганию смеси, оптимального состава, продуктов пиролиза и окружающей газовой среды, а |д определяется временем создания критического прогретого слоя у поверхности полимера. Было обнаружено, что прогретый слой создается приблизительно постоянным тепловым потоком от диффузионного пламени.

3. Показано, что для описания процесса зажигания полимеров накаленным телом применимы: для газовой фазы - теория зажигания горючих газов накаленной поверхностью, развитая Я.Б.Зельдовичем, а для конденсированной фазы - ряд положений теории зажигания конденсированного топлива, позволивших получить аналитическое выражение для Экспериментально показана: возможность использования условия зажигания горючих газов накаленной поверхностью для получения эффективных энергий активации химической реакции в газовой фазе, на пределе зажигания; справедливость выражения для i3, которое определяется тепло-физическими свойствами полимера, термохимией процесса пиролиза и теплоприходом от диффузионного пламени.

4. Обнаружено влияние температуры окружающей среды и содержания кислорода в ней, а также вида контакта накаленного тела и полимерного образца на TQ и Это объясняется: для Тд - изменением условий теплообмена зоны химической реакции с окружающей средой и оптимального состава горючей смеси, а для iQ- изменением теплоприхода на полимер от пламени и видом критического прогретого слоя.

5. При введении в полимер некоторых ингибиторов горения работающих в газовой фазе, было обнаружено падение Т3, что может быть связано с промотирующим влиянием летучих продуктов пиролиза антипирена на стадии инициирования химической реакции, приводящей к зажиганию горючей смеси. Введение в полимер катализаторов коксообразования может приводить к увеличению £ 3 за счет уменьшения теплоприхода от пламени на поверхность полимера. Введение инертных наполнителей практически не меняет Т3 и влияет на из-за изменения теплофизических свойств композиции. Для слоистых композиционных материалов и наполненных органическими волокнами было обнаружено, что Т3 определяется продуктами деструкции связующего и наполнителя.

- не

1. Асеева P.M., Заиков Г.Е. Горенке полимерных материалов. М., Наука, 1981.

2. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.Е., Либрович В.Б., Махвиладхе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М., Наука. IS80.

3. Мержанов А.Г., Аверсон А.Э. Современное состояние тепловой теории зажигания. Препринт. Черноголовка. 1970.

4. Аверсон А.Э. Теория зажигания. Препринт. Минск. 1977.

5. Либрович В.Б. О восиламенении твердых топлив. Ж. прикладной математики и теоретической физики, 1968, В 2, с. 36.

6. Марголин А.Д., Крупкин В.Г. Критические условия горения полимеров. В сб. Химическая физика процессов горения и взрыва.Горение гетерогенных и газовых систем. Черноголовка, АН СССР. Институт химической физики, 1977, с. II.

7. Qeichiv MP AfeZ/'юс/ см с/ rffyocwdii/jg far /)etersn/'s?g

8. Walker A.&t PCcunnmabrC/ty Te^t/ng eft turope^3 f?re cuid Mai. /9801 к ^ /ГЗ/ p. №. 13; Ftcbmmdbf&Lj handbook for ptcud/сл/SS, by //fCado

9. Hi Mo C.l, Cummmcj И. 1, Murphy R. M. Ptath-fire pro. pen-diiy of pyroOybiA ^QABd from mcderia£d,

10. Scunp-f, 1917. V iO. //a p. 29.

11. Kachi KH&,UcM М. Apparatus for Kinztic

12. Mecha.ni^tic £tude& of Pofynoer Surging and Regret-bin RaieAi Poly(Mtthyl /4ethc,cry£cUeJ,- Л Pefysner Potymer Ph^icA Ed. /981, V-p. /*3/

13. Naton Ms Й/rcuio T9 Ак/tq К. Ькр£г\тмЫ1 Atucly of ra-(Jiodrii/e ignition of poiymttkylm&tQcritate., /7-i/t. Sump (Int) СотШ. LeeJ* Absbr. Pop, P/iibburgh. /978,p 238.

14. Kobhiu/cuji T. Effectd of Attenuation о/ Radiation oo Surface Temperature, for Radiative. Tgnltion^ Combust, Sei. oW TechnoC. /979. v. 20. sk5-6, p 225

15. KaMwogiT. Effects of £>asr\p& orientation on radi-(dive ignition. Comb, and Рваме. /182. ^ ^ Л//-3, p. 22Ъ.

16. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Под. ред. И.В.Рябова. М.: Химия. 1970, с. 336 .

17. Ori^i Р InfPamma.bi£iLCL deiie mater/'e plcuUcJ)€. Materie pEc^ticht ed elabiomtri. /975, и Hi, />. H08.

18. MeLhods of Teti for Р^аА/сд. Standard 2783.

19. MMod 508A. British $icu;dard^ JniditutL,25. trohh D. Procjгель on fire Safety Atandard&. Pre and McJer. /981, I/ 5, A/H, p. 177.

20. Fen/more C.R, Martin P 3. Caddie-Type Text for fiammafatsty о/ Pofytnerj. Modem /966, K4H, /v.//f pJW

21. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. . М.: Химия. 1979.

22. Вчгпт^ SeAa и/oc/r t/CA, During and dft&r Contact witi в-gowirtg tfoc/.- Dsis 53H59. /OeuiUhe^

23. Tnjt/teste. Jlir- d/orwtsrfg.

24. DP 5657- Fire teA^A Reaobion to fire-igni-ta&ility of 6ui£c/ing /orocfuatA. ISO/TC 92. /I/ 531. 1979.30. 'ЗоЬпЪОп P.R. A general correlation of f£cLmmal)i~ tiiy of natural- and AyntdieLc. potymntrA.

25. Appi. Pofy™. Sd. iQm. v. /8. p. i.

26. Воробьев B.A., Андрианов P.A., Ушков В.А. Горючесть полимерных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978, с. 10.

27. ОдЬтссг? 3. A.-L. qa Proposed trie .Intimation at Stoddard A Oryanizoi/O/? Compared with$ome European Pire for 8ui£c//ng. Pontic,iPire ound Metier /981. /5, Л7Ч, p. 153.

28. TAukada TtJ Bbihara M AmendentA о/ UL standard h and Piasve Retardation of PioJ^tioA, Japan PiaAtioA /lye. /975t ж/, p,l.

29. Br^UicU C,} Var\ie£on У.-R Contribution q P'e^de deA de£acA dautoinj£ci*nma t/on c/e ро£у/пегелde difjuAiOn cOurante en aimoAphert oxydante. Infiy-esiQd de 6a predion de tPoxydan't. f. ohim.phyA ркуА-obiw biol, (9BOf 77t /V ii-/г, p./023.

30. Штейнберг A.C. Линейный пиролиз. В сб. Тепломассообмен в процессах горения. Черноголовка, ОИХФ АН СССР. 1980. с. 138.

31. Detftmе U Study of $e£f-Ignition of Pi/£ Л Macro not. $u~cJ->em. /977} /111 (8), p. W9J.

32. Льюис В., Эльбе Г. Горение пламя и взрывы в газах. М.: Мир. 1968.

33. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во АН СССР , I960.

34. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М.: Наука, 1981.

35. Кондратьев В.Н. Определение констант , скорости газофазных . реакций. М.: Наука, 1971,

36. HiCacfo С, X, Салеу С, 7. Руг&£уА/д of робумегоид tnatesicutb: Л Effect &f ohemiaxi б4гис!с/ге arid temperature on oh or vi&td and fbunmQ&i

37. Hre and recunmabii, /Щ К /0> AS. 3} p 227.

38. Мелихов A.C. Исследование процесса воспламенения твердых материалов в среде газообразного кислорода. Канд. дис. М.: МИШ. 1970.

39. Гришин A.M., Кузин А.Я. О гетерогенно-гомогенном воспламенении реагирующей пластины при оптекании потоком окислителя. Горение и взрыв. Материалы третьего Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. М.: Наука, 1972. с. 38.

40. Заиггд D, G>, The effecU of forced aJr f&us and Олиparotitic UkiciUj. J. Hre W /Tam/nobf. /97$ И p./81.

41. Самовоспламенение газов и паров. Справочные материалы составлены С.А.Литовским, под редакцией проф. А.С.Соколика, Отдел научно-технической информации. ГИАН. Москва. 1966.

42. Чирков Н.М., Энтелис С.Г. Кинетика окисления этана, В сб. Кинетика цепных реакций окисления. М,: Изд-во АН СССР. 1950, с. 118.

43. Долгов Э.И., Мелихов А.С., Потякин В.И. и др. Экспериментальное исследование условий самовоспламенения полимерных материалов в окислительных средах. В сб. Вопросы горения полимерных материалов в обогощенных кислородом средах. М.: 1975, с. 62.а

44. Гришин А.И., Исаков Г.И. О режимах гетерогенного воспламенения полиметилметакрилата в потоке газообразного окислителя.- Физика горения и взрыва. 1976, т. 12, $ 3, с. 336.

45. Долгов Э.И., Мартемьянова Т.М., Рыжков A.M. О закономерностях воспламенения твердого горючего нагретым газообразным окислителем. В сб. Вопросы горения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. М.: 1975, с. 50.

46. СагСол Tt/ f/tCcl^o anj #<Lgir\CL /4. А/игр£cre-esiirt^ Te^td on /4a£eria£iз Ud-ео/ ш Howe fur

47. ConAuv^er Рг^с/цсЖь. Cf. consumer- product f&uY>tnaib/6 tip. /978, * A//, />. V/. 51. Haltman 1R., Welker J.R., $e/pcev/cA £ M. Iyniiion

48. Зельдович Я. Б. К теории горения порохов и взрывчатых веществ. Журнал эксп. и теор. физики, 1942, т. 12, с. 498.

49. T^niiion. J. fire a^J Mot, /980, V.V, A/3, p. 1£Ъ

50. Technical Соп/егеиег, Chicago, /97ZJ pt, 1)p. евъ.56 * Кадзивара М, Ф о с фа з а но вые соединения в качестве антипиренов. Сэнъи како,J977, т. 29, JS2, с. 71.

51. Ravey М., 7% 73* Effect of Iki Carbon. Bromine Sonc/ Itjpe on tAe Limiting Oxygen Index

52. Fire and Material*, I'978, v. 2f AT 2, p. 73,

53. Pent more СД.Уопед & W. T/oc/зб of InbiS/йпд Pofymer FCammabilitg.- Comb, Пате, /966, к W, p. 295,

54. Ronriager R} ЦельЬу P., Adhr A MzchaniAhk Study of PCame Inhibition Р/?одрЬооа/е and Р/?ол -phonium-SaAed P£ame Petqrdositd on Cotton and Po tyeA гher Fabric*, - 3. Tex. /975, AP8, p. 586.

55. LarA4n E.R.fuc/mg S.R. On Ue Pfec/ian/Ann of Ho£o^en P€ame Suppzeding ProprafLe^e f Г/ге ound PCamrtwJii&ty. /979, V. /О, p.

56. Гальченко А.Г. Высокотемпературный пиролиз полимерных материалов и влияние на него фосфорсодержащих ингибиторов горения. Канд. дис. М.: ИХФ АН СССР, 1983.

57. Morr/доп НЕ., StheM&r/(. The effect of burning velocity infbiterA tdu ignition of hydrocarbon-ox(pg&?-niirog&7 mixtures. Combudt and P£arne. /972, v АЪ\ /V/, p. /

58. Азатян В.В. Границы области цепного воспламенения газовых смесей в присутствии ингибиторов. Кинетика и катализ. 1975, т. 16, В 3, с. 567.

59. LiOtfcuvhw L.A. СЬет>'соЛ еМе&'ъд м f€d*ne Аivieu)" СЬтЬшЛ. £ciesiet cunt! Technoe. /98/. /5 лг/-2 p. 49.65. £o<uy\ci Zf Wakano H.f Studied On ttie ^wbnAt/on of Me PVC-Xonotlte Au&ie,r). dp /-/re and /7&urtwa£i£, 1919, to, AT2t, p. /'29.

60. Зельдович Я.Б. Теория зажигания накаленной поверхностью. Журнал техн. физика. № 6, 1941, с. 493.

61. Зельдович Я.Б» К теории зажигания. Доклады АН СССР. 1963, т. 150, Л 2, с. 283.

62. Зельдович Я.Б., Лейпунский О.И., Либрович В.Б. Теория нестационарного горения пороха. VI.: Наука, 1975.

63. Аристова З.И., Лейпунский О.И.,0 прогреве пороха перед воспламенением. Журн. физики горения и взрыва. 1958, вып. 2, с. 225.

64. Мержанов А.Г., Григорьев Ю.М., Гальченко Ю.А. Воспламенение алюминия. Припринт. Черноголовка, ОИХФ АН СССР. 1977.

65. Ермаков В.И., Струнина А.Г., Барзыкин В.В. Экспериментальное исследование влияние теплопотерь на процесс зажигания безгазовых систем волной горения. Препринт. Черноголовка, ОИХФ АН СССР. 1978.

66. Новожилов Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топ-лив. М.: Наука. 1973.

67. Вилюнов В.И. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск. : Наука. 1984.

68. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. К тепловой теории зажигания конденсированных веществ. ДАН СССР. 1966, т. 169, № I, с. 158.

69. DwercM L.1, сип J L Ot М А criterion for i/?ermoJt ignition of dJsA^Eo^ic ппаЛе-Г/аЛд .

70. СОмЬ. см с/ Р&ъ™ е. f. /3, р. 8.

71. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд. пер. и доп. М.: Наука. 1967.

72. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мартемьянова Т.М. К тепловой теории гетерогенного воспламенения. Физ. горения и взрыва. 1974. т. 10, № 4, с. 498.

73. Прайс Э. Бредли Г., Деорити Г., Ибирицу М. Теория воспламенения твердых топлив. Ракетная техника и космонавтика. 1966,7, с. 3.

74. Гришин A.M., Игнатенко И.А. О гетерогенном воспламенении реагирующих вешеств. Физ. горения и взрыва. 1971, т. 7, №4,с. 510.80. U-ermo^i ел с,Е. Sh /ппаг

75. J. 41A A, /965> КЗ, ЛГ ч, />. '58V. 81. Oh€e*»i&er J.J.j&uMMerJ-iod М. А Critical 4/ю-tyAiA oj А'гс -Image S^nii/on of Prop&й.дш, /дев, 1/.В./У5; p.m.

76. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М.; Металургия. 1964.

77. Филиппов А.А. К вопросу поджигания полимерных материалов накаленными телами. Межвузовский сборник научных трудов по химии и технологии элементоорганических полупродуктов и полимеров. Волгоград. 1984, с. 186.

78. Ткаченко Е.В., Улыбин В.Б., Штейнберг А.С. Линейный пиролиз полиметилметакрилата. Физика гореня и взрыва. 1969, т. 5,1. I, с. 16.

79. P<U-ncui РеМо А. Laminar Р&сцу)€. Spread Oi/er ft/УMA Surfaces, /5-t/y Ini. Sy^p СяъЬыМ^ Tokyo, p. 43.

80. Туманов B.B., Халтуринский H.A., Берлин Ал.Ал. Изучение выгорания полимеров. Высокомол. соединения. 1978, т. А20,12, с. 2784.

81. Грасси Н. Химия процессов деструкции полимеров. М.: ИЛ, 1959.

82. Мадорский С.Л. Термическое разложение органических полимеров. М.: Мир, 1967, с. 326.

83. Ксандопуло Г.И., Новиков С.П. Отрицательный температурный ход верхнего концентрационного предела углеводородов. Материалы совещания по механизму ингибирования цепных газовых реакций. Алма-Ата. 1971.

84. Кумагаи С. Горение. М.: ИЛ, 1979.

85. Гребер Г., Эрк С. и Григуль У. Основы учения о теплообмене. М,: ИЛ. 1958, с. 354.

86. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа. 1981. с. 193.

87. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1974.

88. Таблицы физических величин. Под ред. Кикоена И.К., М.: Атомиздат. 1976.

89. Шетинхов Е.С. Физика горения газов. М.: Наука. 1965, с. 462.

90. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Издание 2-е, дополненное и переработанное.1. М.: Наука. 1972.

91. Айвазян Г.Б., Халтуринский Н.А., Берлин Ал.Ал. Кинетические закономерности процессов пиролиза и окисления ММА. Арм. хим. журнал. 1979, № 4, с. 143.

92. Кодолов В.И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. М.: Химия. 1976.

93. Химические добавки к полимерам. Справочник. М.: Химия. 1981.

94. Филиппов А.А., Соипов Ф.Т., Джалилов А.Т., Халтуринский Н.А., Берлин Ал.Ал. Влияние высокомолекулярного антипирена на горючесть полиэтилена. Высокомолек. соед. 1984, т. Б26, № 10, с. 782.

95. Указатель отечественных изобретений и зарубежных патентов 1967-1978 гг. "Фосфорсодержащие огнестойкие полшеры, пластмассы и волокна." Алма-Ата. "Наука", Каз. ССР. 1982.

96. Махаринский Е.Г., Филиппов А.А., Халтуринский Н.А. и др. Фосфор наполнитель антипирен. Материалы семинара - Наполнители полимерных материалов. Московские дом научно- технической пропоганды. 1983. с. 144.

97. Энциклопедия полимеров. M.: Изд-во Советская энциклопедия. Под ред. академика Кабанова В.А. В трех томах. 1972 -.

98. Махаринский Л.Е., Гальченко А.Г., Халтуринский Н.А. Берлин Ал.Ал. Методика оценки горючести различных полимеров. Химическая промышленность. Серия Производство и переработка пластмасс и синтетических смол. Москва. 1983. с. 37.

99. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир. 1982. с. 294.

100. Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

101. Саратовский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

102. Про^ёй'орГйЙда^чной работеч / ъ <г V-» J*jisf %. > Л \Ш1. В.В.ПЕТРОВи Щу. 1965 г410016, Саратов-16. Политехническая, 77 Телеграфный адрес: Саратов-54, СПИ Телефоны: 5-73-18; 5-73-01; 5-73-021. На №отн

103. Артеменко-6-35-18 Энгельс Г.0.-3.04.04.85ч

104. УТВЕРЖДАЮ проректор Волгоградского политехнического института проф. Камаев В. А./feU^ " ОЬ 1985 г.

105. ЗАКЛЮЧЕНИЕ о практическом применении метода "изучения закономерностей зажигания полимерных материалов накалённым телом".

106. Навроцкий В.А. Кубанцев С.Б.

107. Заключение составили: к.х.н., доцент м.н.с.