3. Механізм горіння деревини і пластмас

Перетворення більшості твердих речовин в продукти горіння в кінцевий фазі протікає в газовій зоні в дифузійному режимі. Цей процес лiмiтується змішуванням. Змішується повітря з продуктами термічного пiролiзу речовини або продуктами її плавлення i випаровування.

В газоподібних речовинах уся підготовка до горіння зводиться до перемішування їх з окисником і нагріву суміші. Тверді ж речовини займаються не так легко. Одні з них при нагріванні плавляться, потім випаровуються; як наприклад, парафін, стеарин і т.п.

Інші плавляться і розкладаються; так, як полістирол або органічне скло (поліметилметакрилат).

Більшість же твердих матеріалів при нагріванні піролізуються, тобто розкладаються на горючі газоподібні речовини та твердий залишок. Залишок може бути чисто органічним, горючим - вуглецем; або неорганічним, негорючим - попелом. До матеріалів, які горять, даючи залишок, відносяться деревина, торф, викопне вугілля, композиційні полімерні матеріали.

Існують і матеріали, які горять, не плавлячись і не розкладаючись. Ці речовини горять гетерогенно, тобто реакція окислення тут протікає на поверхні. Так горять антрацит, кокс, так горять залишки піролізованої деревини (деревне вугілля).

Таким чином, горіння твердих речовин, в залежності від будови, може відбуватись за гомогенним, гомогенно-гетерогенним або тільки за гетерогенним механізмом.

Типовим і найбільш поширеним з природних твердих горючих матеріалів є деревина. Основними її компонентами є геміцелюлози, целюлоза та лігнін.

В середньому, суха деревина складається з 25% геміцелюлоз, 50% целюлози та 25% лігнінів.

За елементним складом вона містить біля 50% вуглецю, 6% водню і 44% кисню.

Деревина - матеріал пористий. Об’єм порожнин займає від 50 до 75% загального об’єму зразка. Порожнини невисушеної деревини заповнені вологою.

При температурах 120 - 150 ⁰С завершується процес сушки, тобто виділення з порожнин фізичної води (Зневоднення).

При подальшому нагріванні до 150 -180 °С виділяються залишки цієї капілярної води і починає виділятися вода, зв’язана хімічно; починається розклад найменш стійких компонентів (Початок розкладу).

Виділяються тут в-основному СО₂ та Н₂О.

При температурах, близьких до 250 °С, починається піроліз деревини, з виділенням таких газів як СО, СН₄, Н₂, СН₃ОН, СО₂. (Початок піролізу). По аналогії з рідиною, цю температуру (приблизно 250 °С) можна прийняти за температуру спалаху деревини.

При температурі 280 - 300 °С іде вже інтенсивний розклад геміцелюлоз. А при 350 – 450 °С - і інтенсивний піроліз головної складової частини деревини (Стадія інтенсивного піролізу). Тут виділяється основна маса горючих газів, до 40% від максимально можливої їх кількості. Суміш, яка виділяється у цій області, на 40 % складається з насичених та ненасичених вуглеводнів і на 25% - з водню.

При подальшому нагріванні до 500 – 550 °С швидкість виділення газоподібних речовин знижується, так як усі летючі в-основному вже виділилися.

При температурі близько 600 °С розклад деревини на газоподібні продукти та вуглецевий залишок завершується.

При піролізі без доступу повітря 1 кг деревини виділяє приблизно 800 г летючих продуктів, залишаючи біля 200 г деревного вугілля.

Полімерні матеріали, на відміну від деревини, вміщують значно менше кисню. Деякі з них - полістирол, каучуки - взагалі складаються тільки з вуглецю (85-90%) та водню (5-15%). Інші - поліметилметакрилат, лавсан - містять не більше 35-40% кисню. Відповідно, для горіння полімерів потрібен значний об’єм кисню; і горять вони, як правило, з утворенням продуктів неповного спалювання - сажі, чадного газу.

При нагріванні більшість з полімерів плавляться, утворюючи на поверхні шар рідини. Рідина ця горить не дуже інтенсивно і встигає розтікатися, особливо по вертикальних поверхнях.

На вертикальній поверхні шар рідини має товщину до 1-2 мм, на горизонтальних, накопичуючись, рідина дає шар у декілька сантиметрів.

Під дією наступних порцій тепла рідкий полімер деполімеризується до летючого мономеру, або розкладається на інші летючі фрагменти. Ці фрагменти і утворюють з повітрям горючу суміш.

По аналогії з горінням рідин мінімальна температура горючої речовини, при якій летючі, що виділяються, спалахують від джерела запалювання і продовжують горіти після його видалення, називається температурою спалахування.

Після спалахування температура верхнього шару твердого матеріалу збільшується за рахунок тепла, що випромінюється полум’ям. В деревині температура верхнього шару відразу після виникнення полум’я становить 290 - 300 ⁰С. При цій температурі вихід газоподібних продуктів досягає максимуму і встановлюється найбільша висота факелу полум’я. Далі верхній шар поступово перетворюється на деревне вугілля. В стадії полум’яного горіння деревини кисень повітря до поверхні не доходить, горіння відбувається над поверхнею і кисень перехоплюється продуктами розкладу. У цій стадії вугілля, що утворилося, не горить.

С часом, полум’я нагріває це вугілля до 500-700 ⁰С. Нагріваючись, у свою чергу, до 290 - 300 °С, нижчерозташовані шари теж починають розкладатися. Продукти розкладу, крізь тріщини, що утворилися у верхньому шарі, піднімаються вгору і згоряють у факелі. Таким чином, коли на поверхні утворюється невеликий шар деревного вугілля, полум’яне горіння ще не припиняється - у цій стадії горіння поки ще гомогенне.

Поступово шар вугілля на поверхні збільшується, кількість тепла, що потрапляє у нижчерозташовані шари, зменшується, вихід газоподібних продуктів розкладу з цих шарів теж зменшується. Полум’я вже не охоплює усієї поверхні, воно вже розташоване нерівномірно. Там, де є тріщини, або шар вугілля не дуже товстий, продукти розкладу ще утворюються, виділяються і горять над поверхнею; в інших місцях полум’я вже не немає і воно не відсікає кисень від розпеченого вугілля. При товщині шару вугілля у 1,5-2 см іде одночасно гомогенне горіння продуктів розкладу і гетерогенне - вугілля.

По мірі вигоряння, товщина шару вугілля спочатку зменшується, а надалі лишається постійною. При цьому факел зникає, горіння переходить у наступну фазу - гетерогенне горіння, точніше, видимо гетерогенне. Перемішування продуктів розкладу з глибинних шарів відбувається на самій поверхні і полум’я формується на самій поверхні і дуже невисоке, тому ця фаза і виглядає як гетерогенне горіння, як тління.

Горіння твердих речовин, не здатних переходити в газоподібні продукти розкладу або випаровування, розглядається як тління. Лiмiтуючою стадією такого процесу є дифузія кисню до розпеченої поверхні крізь шар газоподібних продуктів горіння.