Свойства веществ и материалов / Uvarova - Kontrol pozharoopasnikh svoystv shakhtnikh polimernikh materialov (Dissertaciya) 2015

71

ответствует однопроцентной концентрации диоксида углерода; 162000 мг/м3 –

его летальная концентрация [52].

Индексы токсичности других веществ показаны в таблице 2.6.

Наличием гидроцианида, фосгена, хлора и углерода оксида может опре-

деляться общая токсичность продуктов разложения или горения данного поли-

мерного материала. Содержание сотых долей объемного процента гидроциани-

да, фосгена, хлора, азота оксидов и десятых долей гидроцианида, оксида угле-

рода, диоксида серы в продуктах разложения или горения приводит к резкому увеличению суммарного индекса токсичности.

Таблица 2.6 – Индексы токсичности индивидуальных газо– и парообразных продуктов разложения и горения полимерных материалов однопроцентной концентрации [52]

		Летальная кон-	ПДК,	Индекс
	Вещество	центрация,
			3
		мг/м3	мг/м	токсичности ИТ
	Карбонилдихлорид (фосген)	200	0,5	220,9
	Азота оксиды в пересчете на NO2	1000	5	48,2
	Хлор	700	1	45,3
	Гидроцианид	300	0,3	40,2
	Дигидросульфид	1100	10	13,8
	Бром	5500	0,5	13,0
	Гидрохлорид	4500	5	3,62
	Диоксид серы	6000	10	3,57
	Аммиак	3500	20	2,16
	Оксид углерода	6000	20	2,08
	Бензол	65000	5	0,58
	Диоксид углерода	162000	27000	0,12
	Ацетилен	550000	–	0,02
	Этилен	1100000	–	0,01

Вместо ЛК50 некоторые исследователи предлагают использовать такую концентрацию токсичного вещества, которая представляет опасность при воз-

действии в течение 15 мин.

72

При комбинированном действии продуктов горения и разложения поли-

мерных материалов может наблюдаться более чем аддитивное действие – по-

тенцирование (синергизм). Потенцирование зарегистрировано при остром воз-

действии различных токсичных веществ, которые могут быть продуктами раз-

ложения и горения полимерных материалов: бутилен – дигидросульфид; азота оксиды – оксид углерода; оксид углерода – бензол; диоксид углерода – этилхлоркарбонат и т.д.

При потенцировании усиление общего эффекта токсичности может быть от 10 до 30 раз. Эффект потенцирования (синергизма) П, вычисляемый по фор-

муле 2.3, может быть учтен как произведение индексов токсичности продуктов горения, обладающих потенцированием, на их коэффициент потенцирования

(2.3)

где Кп – коэффициент потенцирования;

Х1, Х2,…,Хi – индексы токсичности продуктов горения, обладающие потенциро-

ванием.

Суммарный токсичный эффект продуктов разложения и горения поли-

мерных материалов используется некоторыми исследователями для разработки критериев оценки потенциальной опасности, которую полимерный материал может проявить в условиях пожара.

При комбинированном действии продуктов горения и разложения поли-

мерных материалов может наблюдаться менее чем аддитивное действие – анта-

гонизм действия. Он проявляется в основном за счет химического взаимодей-

ствия продуктов горения и термоокислительного разложения между собой. При этом образуются малотоксичные продукты: аммиак и гидрохлорид при взаимо-

действии образуют малотоксичный хлористый аммоний; азота диоксид и амми-

ак в присутствии водяных паров образуют нитрат аммония.

Уменьшение токсичности может произойти за счет физического процесса адсорбции. В условиях горения этот эффект может проявиться при сорбции ча-

73

стицами сажи (твердая фаза дыма) различных токсичных веществ, особенно гидрохлорида, гидроцианида и других веществ.

Антагонизм встречается весьма редко, однако он может быть использован для оздоровления окружающей среды, а также для изыскания летучих или раз-

лагающихся с выделением активных по отношению к токсичным продуктам горения веществ, снижения общей токсичности продуктов горения и разложе-

ния полимерных материалов, снижения общего индекса токсичности продуктов разложения полимера.

Понимая опасность продуктов разложения и горения для человека в усло-

виях пожара, многие исследователи посвятили свои труды определению коли-

чественного состава образующихся продуктов для оценки опасности полимер-

ного материала при пожаре и выработки мероприятий, направленных на ее снижение.

Действие токсичных продуктов горения и термоокислительного разложе-

ния в условиях пожара протекает при повышенных температурах, а повышение температуры, как правило, ускоряет развитие токсикологического процесса.

Повышение температуры способствует проявлению специфических особенно-

стей токсического действия яда, малозаметного при обычных условиях, повы-

шает чувствительность животных к токсическому действию практически всех исследованных ядов. Например, летальная концентрация оксида углерода при

18–20 0С для мышей составляет 8000, а при 32–34 0С – 4000 мг/м3.

Имеются данные о том, что повышение влажности и понижение парци-

ального давления кислорода также усиливает токсическое действие ядов на ор-

ганизм. По данным Н. М. Петруня [69], при повышении температуры до 35 0С

насыщение крови кислородом снижается в среднем на 60 %. Дальнейшее по-

вышение температуры до 40 0С приводит к снижению насыщения крови на 10– 12%. Предельно безопасное время пребывания человека при физической нагрузке средней тяжести в условиях температуры окружающей среды 70 0С

составляет 10 мин.

74

Появление высоких температур при горении полимерных материалов в условиях пожара связано с высокими скоростями их горения, высокими эн-

тальпиями сгорания, большой горючей нагрузкой помещения (современные жилые дома имеют горючую нагрузку от 27 до 40; производственные помеще-

ния, связанные с производством и обработкой горючих веществ и материалов,

250–500; складские помещения 2000–3000 кг/м2).

Принимая во внимание опасность теплового воздействия на человека в условиях пожара и границы его действия, исследователи предлагают методы расчета времени, в течение которого в помещении появляются опасные для че-

ловека температуры. Таким образом, при горении полимерных материалов в условиях пожара человек подвергается совместному воздействию токсичных продуктов разложения и горения, дыма и высоких температур.

Каждый из этих факторов исследуют. Определяют пути, приводящие к снижению опасного воздействия того или другого фактора. Полученные ре-

зультаты используют при составлении новых рецептур полимерных материалов и разработке мероприятий, снижающих потенциальную опасность полимерных материалов в условиях пожара.

2.7.Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции

полимерных материалов

Аэрозоли термического разложения шахтных материалов – дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой.

Размеры твердых взвешенных частиц очень малы: верхний предел 40–60

мкм, нижний – 6–10 молекул.

Твердые аэрозоли, например конвейерной ленты и ряда других шахтных материалов, относят к типу конденсационных аэрозолей. Они образуются при объемной конденсации пересыщенных паров и в результате химических реак-

ций горения с образованием нелетучих продуктов типа сажи. Обычно конден-

сационные аэрозоли представляют собой рыхлые агрегаты из большого числа

75

первичных частиц, имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форму [72].

Исследование характеристик аэрозольной фазы термической деструкции шахтных материалов проводилось на лабораторной установке «Термодес» [73].

Для качественной оценки выделяющихся аэрозолей выполнялись: внеш-

ний осмотр осадка аэрозоля на фильтре и визуальная его характеристика; мик-

роскопическая оценка осадка аэрозоля [74].

Визуальный осмотр фильтров с аэрозолями показал, что внешний вид и характеристика осадков аэрозолей зависят от температуры разложения матери-

ала (таблица 2.7). Так, например, для шахтной конвейерной ленты 2ШТ при температуре 200 0С осадок аэрозоля имеет светло–коричневый цвет без разде-

ления на видимые частицы; при температурах 600, 800 и 1000 0С – осадки чер-

ного цвета с очень мелкими сажистыми частицами. Массы же выделившихся осадков меньше при температурах 200 и 1000 0С и значительно больше при температурах 600 и 800 0С.

Изучение осадков аэрозолей под микроскопом с увеличением в 300 раз показало, что при 200 0С аэрозоль представлен шаровидными частицами, а при температурах от 600 до 10000С аэрозоли наблюдаются в виде черных мелко-

дисперсных сажистых частиц, сплошь перекрывающих фильтры. На рисунке

2.12 приведены фотографии аэрозолей термодеструкции конвейерной ленты при температурах 200, 800 и 1000 0С соответственно.

Качественная характеристика осадков аэрозолей (визуальная и оптиче-

ская) позволяют предположить, что при температуре 200 0С происходит воз-

гонка полиамидных волокон синтетических тканевых прокладок. Как видно из рисунка 2.12, выделяющиеся амидные продукты горения имеют шаровидную форму и небольшие размеры, не различаемые при визуальном осмотре. В ин-

тервале температур от 600 до 1000 0С деструкция шахтных конвейерных лент идет за счет разложения резиновых обкладок и прослоек.

76

При температурах от 600 до 800 0С мелкодисперсные сажистые осадки имеют более плотную упаковку в сравнении с аэрозолями, полученными при деструкции конвейерной ленты при 1000 0С.

Анализ аэрозолей разложения исследованных шахтных материалов пока-

зал, что все они имеют кислую реакцию среды. Например, рН для шахтной конвейерной ленты находится в пределах 3,5–3,7; для оболочек электрокабелей

4,5–5,1.

Таблица 2.7 –Характеристика аэрозолей разложения шахтных материалов

	Изделие,	Температура	Кислотность	Визуальная характеристика
	материал	разложения, 0С	среды рН	аэрозоля
		200	3,9	Светлый, шаровидные частицы
	Транспортерная	400	3,7	Светло–коричневый, пропитывающий
				осадок
	лента 2ШТ
		500	3,7	Коричневый, пропитывающий осадок
		600–800	3,5	Черный сажистый, сплошной
		300	3,8	Нет видимых следов аэрозоля
	Оболочка кабеля	500	3,5	Черный сажистый
	КОРГШВ	600–800	3,5	Черный сажистый, плотный слой
	Оболочка кабеля	400	5,1	Нет видимых следов аэрозоля
	КГЭШ	600–800	4,9	Черный сажистый, плотный слой
	Пластмассовые	400–500	5,2	Желтый пропитывающий
	изделия	600	4,8	Черный сажистый, сплошной
		300	6,2	Следы аэрозоля
	Дерево хвойное			Светло–коричневый
	(крепеж)	400	6,3
				пропитывающий осадок
		400	5,3	Нет видимых следов аэрозоля
	Уголь	600	5,2	Темно–коричневый
				пропитывающий осадок
	(пл. Волковский)
		800–900	4,4	Черный сажистый сплошной

Кислую реакцию среды аэрозолей можно объяснить сорбированием твер-

дыми частицами некоторой части кислых газов (HCl, HCN, CO2, NO2 и др.).

Количественная оценка аэрозолей термодеструкции полимерных матери-

алов выполнялась гравиметрическим методом путем взвешивания аналитиче-

77

ских фильтров АФА–В–10 на аналитических весах до и после эксперимента при максимальной задымленности и фиксированном времени отбора аэрозоля.

а

б

в

а – продукты возгонки капроновых прокладок ленты Т= 2000С; б – твердые сажистые частицы – продукты горения резиновых обкладок, прослоек ленты Т= 8000С; в – твердые сажистые частицы – продукты горения резиновых обкладок, прослоек ленты Т= 1000 0С

Рисунок 2.12 – Виды твердого аэрозоля термодеструкции компонентов конвейерных лент

Эксперименты выполнялись для полимерных материалов при различных режимах деструкции. Расчеты производились для горной выработки длиной

100 м с поперечным сечением 10 м2, при скорости проветривания 0,25 м/с. Ре-

зультаты представлены в таблице 2.8. Определение массы аэрозолей выполня-

лось в интервале минимальной–максимальной температуры разложения мате-

риала.

Так, например, для конвейерной ленты наибольшее выделение аэрозоля наблюдалось в интервале от 500 до 8000С. При температурах 200 и 1000 0С вы-

деление аэрозоля значительно меньше. Это объясняется тем, что при мини-

мальной температуре 200 0С в основном идет разложение синтетических про-

кладок с переходом их в почти бесцветные легкие аэрозоли. При максимальной температуре деструкции 1000 0С происходит более полное разложение резины с переходом значительной части материала в газовую фазу.

78

Таблица 2.8 – Количественная оценка аэрозолей термодеструкции шахтных материалов

		Температура,		Расчетная концентра-	Количество аэрозоля
	Изделие, материал			ция аэрозоля в горной	на 1 кг материала,
		0	С
				выработке, г/м3	г/кг
		200		0,0	0,0
		400		88,0	43,9
	Конвейерная	500		213,5	80,8
	лента 2ШТ	600		170,3	75,9
		800		186,5	64,9
		1000		95,1	47,8
	Конвейерная	400		12,7	20,3
		500		72,4	60,3
	лента (USA) Glige
		600		46,5	37,5
	800 Proposid
	Siangaory	800		104,5	59,4
	Вентиляционная	300		0,1	40,4
		400		0,2	43,2
	труба
		500		0,2	37,0
	(винилискожа)
		600		0,3	47,2
	Вентиляционная	300		1,6	24,7
		500		9,4	42,8
	труба на основе
		600		22,0	68,8
	капрона
		800		33,4	92,7
	Кабель тонкий	300		0,1	3,8
		500		4,3	70,7
	КОГЭРШ
	в пластиковой	600		5,8	80,9
	оболочке	800		6,2	73,8
		400		2,5	51,5
		500		4,5	73,7
	Кабель КГЭШ	600		5,0	71,9
		800		3,5	74,2
	Подставка под	400		0,1	13,7
		500		0,2	67,4
	аккумуляторы
	(пластмасса)	600		0,3	85,9
	Дерево хвойное	300		0,1	1,1
		400		4,6	25,8
		400		0,0	0,0
	Уголь	600		1,1	5,4
		800		2,7	7,5
	(пл. Волковский)
		900		2,3	8,7

		79
На рисунке 2.13 показаны максимальные значения массы выделившегося
аэрозоля в пересчете на 1 г материала для ряда шахтных изделий и материалов.
	100	92,7
/г	80	73,8	74,2
мг		64,9
аэрозоля,		59,4
	60
	40
Масса
			25,8
	20		8,7
	0
Рисунок 2.13 – Масса аэрозоля термодеструкции материала

Количественная оценка состава летучих продуктов горения шахтных ма-

териалов основана на исследованиях и формулах, представленных в работах [8, 74–76]. Предварительно проводят лабораторный эксперимент, где определяют исходную m0 и конечную (после процесса термодеструкции) mк массы образца,

время термодеструкции образца τ, массу летучих продуктов термодеструкции исследуемого материала Сi, а также объем образовавшейся газовоздушной мас-

сы, равный внутреннему объему камеры сгорания V0.

Среднюю скорость выгорания материала nв, г/кг·с, вычисляют по форму-

ле

,

(2.4)

где m0 – исходная масса образца, г;

mк – конечная масса образца после деструкции, г;

τ – время деструкции образца, с.

Расход материала на горение в условной горной выработке Nг, кг/с, вы-

числяют по формуле

80
,	(2.5)

где l – длина участка условной горной выработки, м; q – масса материала на участке длиной 1 м, кг/м;

nв – средняя скорость выгорания материала, г/кг·с.

Удельную массу i–того летучего вещества (газ, аэрозоль), образовавшего-

ся при сгорании материала в условиях лабораторного эксперимента, Mi, мг/г,

вычисляют по формуле
,	(2.6)

где Сi – концентрация i–того летучего вещества, мг/м3;

V0 – объем газовоздушной смеси, м3; m0 – исходная масса образца, г.

Среднюю по сечению выработки массовую концентрацию i–того летуче-

го вещества Сi, мг/м3, вычисляют по формуле

,

(2.7)

где Qв – расход воздуха в горной выработке, м3/с, который вычисляют по фор-

муле

,

(2.8)

где S – поперечное сечение выработки, м2;

Vв – скорость движения воздуха в горной выработке, м/с.

Результаты расчета массовых концентраций аэрозолей в горной выработ-

ке в пересчете на исходную массу материала (на основании экспериментальных данных) показали, что для шахтной конвейерной ленты типа 2ШТ эти значения составили: при 200 0С – 0 г/м3, при 500 0С – 213,5 г/м3, при 800 0С – 186,5 г/м3,

при 1000 0С– 95,1 г/м3 (таблица 2.8).

Максимальные концентрации аэрозолей других шахтных материалов при температуре 500–600 0С составили: для вентиляционных труб (винилискожа) –