Снижение горючести материалов)
При характеристике негорючих материалов и материалов с пониженной горючестью пользуются следующими основными терминами:
воспламеняемость - это способность материала загораться при определенных условиях (концентрации окислителя, температуре и давлении окружающей среды). Она характеризуется температурой воспламенения, кислородным индексом и временем зажигания материала.
горючесть - свойство материала поддерживать горение при определенных условиях;
огнестойкость материала - характеристика способности материала сохранять свои свойства в условиях пожара в течение продолжительного времени;
пожароопасность означает степень риска для жизни людей и животных. Под этим термином подразумевают горючесть материала, вероятность его механического разрушения под действием огня и механических нагрузок и выделение токсичных газов и дымов из материала в условиях пожара. В свою очередь материалы подразделяются на негорючие, трудносгораемые, трудновоспламеняемые и сгораемые.
Существует несколько способов снижения горючести полимерных материалов, которые можно условно разделить на четыре группы:
· Огнезащита с использованием устойчивых к пламени материалов (огнезащитных покрытий).
· Введение наполнителей.
· Введение замедлителей горения или антипирирующих составов.
· Модификация полимерных материалов.
Наряду с первым и вторым способами используют пропитку полимерных материалов огнегасящими составами, способными образовывать на поверхности материала защитный слой. В некоторых случаях эти составы учитывают при составлении рецептур полимерных материалов.
Огнезащита устойчивыми к пламени материалами подразумевает покрытие плитками, листами из негорючих или трудносгораемых материалов изделий из горючих материалов. В качестве огнезащитных покрытий могут применяться огнезащитные краски, лаки, вспенивающие покрытия. Преимущества огнезащитных покрытий - в простоте изготовления и сравнительно небольшой стоимости работ. Основной недостаток этого способа заключается в том, что при повышении температуры для большинства покрытий характерно отслаивание от основного горючего материала. При этом возрастает вероятность загорания основного материала. Для вспенивающихся покрытий, на которых при воздействии огня или тепла образуется быстрорастущая негорючая пена с мелкими закрытыми порами, снижение адгезии покрытия к материалу менее вероятно из - за резкого уменьшения теплопередачи через покрытие.
Введение наполнителей приводит к некоторому снижению горючести. Некоторые замедлители горения (красный фосфор, трехокись сурьмы, соли фосфорной кислоты) можно рассматривать как наполнители в том случае, когда не наблюдается их растворения в материале. В качестве армирующих материалов широко применяют стекловолокна, асбест, углеродные волокна, улучшающие физико-механические характеристики, теплостойкость и вместе с тем приводящие к снижению горючести.
В качестве порошкообразных наполнителей, способствующих снижению горючести, применяют окислы и гидроокиси некоторых металлов, графит, окислы кремния, сурьмы, бораты цинка, природные неорганические вещества типа каолина, пемзы, гипса, перлита, вермикулита, различные соли, такие, как оксалаты и карбонаты.
Широкое применение для строительных негорючих полимерных материалов разнообразного назначения получили такие наполнители, как песок, перлит, вермикулит, окись кремния. Каолин, мел, гидроокись алюминия, мелкодисперсный карбонат кальция применяют при изготовлении резин. Гидроокись алюминия, кроме того, входит в композиции типа премикс.
На горючесть наполненных полимерных материалов оказывает влияние не только химическая природа наполнителя, но и его дисперсность, а также прочность сцепления наполнителя и связующего. С увеличением адгезии возрастает прочность материала, что зачастую сопровождается увеличением огнестойкости и стабильности к термоокислению.
Немалую роль в снижении горючести материалов при введении наполнителей играет степень наполнения. Например, в результате увеличения содержания связующего в минераловатных плитах с 4 до 8 % изменяется группа возгораемости материала: несгораемые плиты становятся трудносгораемыми.
Преимущества от введения наполнителей - одновременное улучшение ряда характеристик материала. Основной недостаток аналогичен указанному для выше приведенного способа (расслаивание при повышенных температурах).
Введение замедлителей горения и составов, замедляющих горение, в полимерные материалы заключается обычно в равномерном распределении этих веществ в объеме материала. Этот способ более эффективен по сравнению с предыдущими из-за термических превращений замедлителей горения в зоне пиролиза и поверхностной зоне, а также диффузии продуктов их превращений на поверхность материала. При этом концентрация продуктов термических превращений замедлителей горения в поверхностной зоне резко возрастает, что в свою очередь ведет к ускорению коксования материала. Основным недостатком этого способа является в ряде случаев увеличение горючести материала в процессе его эксплуатации, поскольку введенные замедлители горения могут “выпотевать”, вымываться или иным способом выделяться из материала.
Модификацию полимерных материалов с целью снижения горючести проводят различными методами. Применение этого способа позволяет уменьшить вероятность диффузии частиц, содержащих элементы замедлителей горения, в области 200-350o С. Однако модификация нередко приводит к существенному изменению свойств материала, например к снижению температур размягчения и начала деструкции при введении в полимеры фрагментов, содержащих фосфор и галогены. Кроме того, модификация требует некоторого изменения технологического процесса, что приводит к повышению себестоимости изделий.
Подбор замедлителей горения и антипирирующих составов для множества различных полимерных материалов затруднен [2, c.100], так как разработать типовой рецепт состава, снижающего горючесть и повышающего огнестойкость, не представляется возможным.
В настоящее время выбирают замедлители горения конкретно для каждого материала. Эффективность действия замедлителей горения оценивают эмпирическим путем по факторам, указывающим на снижение горючести материала. К этим факторам относятся:
Образование негорючих газов, которые уменьшают содержание горючих компонентов в газовой смеси, а также вероятность контакта кислорода воздуха с нагретой поверхностью материала.
Эндотермическое разложение самих веществ, замедляющих горение.
Деструкция замедлителя горения с образованием акцепторов свободных радикалов, которые взаимодействуют с продуктами цепных реакций в пламени.
Образование прочного кокса или оксидной пленки, или негорючего пенного слоя на поверхности материала, которые уменьшают перенос тепла от пламени к материалу и предотвращают воздействие активных частиц пламени и кислорода воздуха на полимерный материал.
Образование высокодисперсных частиц, которые уменьшают распространение пламени изменением направления химических реакций, приводит к образованию менее реакционноспособных радикалов.
Указанные факторы являются результатом процессов, протекающих в зоне пиролиза и поверхностном слое материала. Таким образом применение замедлителей горения эффективно, если они способствуют:
· образованию графитоподобных веществ;
· получению на поверхности материала негорючей углеродной пены с закрытыми порами;
· возникновению в поверхностных слоях материала парамагнитных центров, прекращающих цепные реакции распада материала, или частиц, активных молекул, ингибирующих горение материала в предпламенной зоне.
Таким образом, при подборе замедлителей горения или антипирирующих составов для различных полимерных материалов необходимо проводить комплексное исследование свойств самих замедлителей горения и антипирирующих составов с учетом изменения свойств этих материалов в процессе термических превращений данных веществ. Кроме того, необходимо знать поведение полученных огнестойких материалов в процессе эксплуатации, при действии экстремальных тепловых нагрузок или при горении. .