Температура горения различных веществ. Температура пожара при горении различных материалов

Существенным фактором, сдерживающим внедрение разнообразных полимерных материалов, является их пожарная опасность, обусловленная горючестью и сопутствующими процессами.

Горючесть – это комплексная характеристика материала или конструкции – определяет способность материала загораться, поддерживать и распространять процесс горения. Она характеризуется следующими величинами – температурой воспламенения или самовоспламенения, скоростью выгорания и распространение пламени по поверхности, а также условий, при которых возможен процесс горения (состав атмосферы, кислородный индекс, температурный индекс).
Горючесть обусловлена высоким содержанием углерода и водорода, из которого состоят макромолекулы полимеров. При нагревании макромолекулы легко распадаются на низкомолекулярные насыщенные и не насыщенные углеводороды, которые подвергаются экзотермическим реакциям окисления.

Воспламеняемость – это пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Для оценки пожарной опасности вещества определяют температуру воспламенения . Среди термопластов наиболее высокие показатели у ХПВХ - 482 °С, а также у полипропилена 325 °С.

Кислородный индекс , показывающий процентное содержание кислорода, необходимое для поддержания горения вещества. Содержание кислорода в атмосфере 21%, а кислородный индекс ХПВХ 60 – то есть горение этого материала может происходить при дополнительной подаче 39% кислорода. Поэтому данный материал относят к «самозатухающим». Это выгодно отличает этот материал от других термопластов, таких как полипропилен и полиэтилен, кислородный индекс которого 17 и поэтому его горение продолжается после воспламенения, большой опасностью в таких случаях служит образование горящих капель, которые служат дополнительным источником возгорания. В случае с ХПВХ материал не плавится и горячие капли не образуются.

Токсичность . Токсичность веществ, образующихся при сгорании, является нежелательным фактором для безопасности человека. Она тем меньше, чем меньше процент дыма и основных продуктов сгорания - CO и CO2.
Сопутствующие процессы горения:
- выделение дыма при горении и воздействии пламени,
- токсичность продуктов горения и пиролиза – разложение вещества под действием высоких температур,
- огнестойкость материала или изделия – способность сохранять физико-механические характеристики (прочность, жесткость) и функциональные свойства при воздействии пламени.
Поэтому снижение горючести полимерных материалов является задачей по оптимизации комплекса характеристик создаваемого материала.
Природа большинства полимерных материалов такова, что их невозможно сделать полностью пожаробезопасными. Единственное, что можно сделать – это снизить их способность к возгоранию и поддержанию горения. Для этой цели применяются добавки, затрудняющие воспламенение и снижающие скорость распространения пламени - антипирены .

Рис. № 1.Схема процесса горения

Горение полимеров представляет собой очень сложный физико-химический процесс (схема 1), включающий химические реакции при деструкции полимера, а также химические реакции превращения и окисления газовых продуктов, c интенсивным выделением тепла и уносом массы вещества. В результате химических реакций образуется два вида продукта горения – газы горючие и не горючие и зола (углеродосодержащая или минеральная). В таблице № 1 приведены температуры воспламенения полимеров и продукты разложения их в процессе горения.

Таблица № 1 .

*Материал*	*Продукты пиролиза*	*Продукты горения*	*Температура зажигания, °С*	*Кислородный индекс, %*
Полиолефины	олефины, парафины, алициклические остатки углеводородов	СО, СО²		17,4
Полистирол	мономеры, димеры, тримеры стирола	СО, СО²		18,6
Полиакрилаты	мономеры акрила	СО, СО²		17,3
ПВХ	ароматические углеводороды,HCl	СО, СО², HCl		47 (самозатухающий)
Поликарбонат	СО², фенол	СО, СО²
Полиамид - 6,6	амины, СО, СО²	СО, СО² ,NH³,амины		28,7(самозатухающий)
Полиэфиры	стирол, бензойная кислота	СО, СО²		22,8

При горении органических полимерных материалов окислителем является кислород воздуха, а горючим - водород и углеродсодержащие газообразные продукты деструкции полимера. При нагревании макромолекулы легко распадаются на низкомолекулярные насыщенные и ненасыщенные углеводороды, которые подвергаются экзотермическим реакциям окисления, т.е реакция сопровождается выделением теплоты.
При горении полимеров наблюдаются также критические явления, характерные вообще для процессов горения. Снижение температуры пламени по тем или иным причинам приводит к скачкообразному переходу от одного режима окисления - горения - к другому к очень медленному окислению. Эти режимы различаются между собой по скоростям на многие порядки. Поэтому можно говорить о существовании критических условий, определяющих границы возможного горения данного материала. Следует отметить, что эти условия зависят от геометрии образцов и пламени, температуры полимера и газовой среды и не являются абсолютными характеристиками данного материала.
Одним из наиболее характерных примеров практического использования критических явлений при горении полимеров является экспериментальный метод оценки их горючести, впервые предложенный английским ученым Мартином.

Образец поджигают сверху специальной газовой горелкой, после чего горелку убирают, и образец либо продолжает самостоятельно гореть, сгорая практически до конца, либо быстро затухает. Такие опыты проводят при различном составе газовой атмосферы, то есть различном соотношении кислорода и азота. Критическая концентрация кислорода в смеси (в об. %), выше которой самостоятельное горение возможно, а ниже нет, называется кислородным индексом (КИ) и характеризует горючесть данного материала. Физическая суть метода заключается в том, что при уменьшении концентрации кислорода растет расход тепла на нагрев инертного газа - азота, температура пламени уменьшается, что и определяет критические условия горения. В настоящее время этот метод широко используется во всем мире.

Таблица № 2 .

Классификация степени горючести материалов по методу Мартина

Показатель	V - 2	V - 1	V - 0
Количество зажиганий
Время горения после удаления пламени, сек
Полное время горения пяти образцов, два зажигания, сек,
Наличие капель, воспламеняющих вату	да	нет	нет	нет	нет
Максимальное время тления образца, сек
Горение образца до зажима	нет	нет	нет	нет	нет

В настоящий момент подходит к завершению процесс перехода ЕЭС на единый стандарт материалов для строительства, принятый в 2001 году. В этом стандарте горючесть определяется буквами алфавита: А (трудногорючие ), Е (краткосрочное сопротивление возгоранию ) и F (материалы, не сопротивляющиеся возгоранию ).

Антипирены делятся на 3 большие группы :

Добавки первого типа применяются, в основном, для реактопластов (эпоксидных, ненасыщенных полиэфирных и т.п. смол). Для полиэфирных смол используется, в основном, дибромнеопентил гликоль (DBNPG), а для эпоксидных лучшей системой признаны органические соединения фосфора. Эти соединения встраиваются в химическую сетку реактопластов и не ухудшают физико-механических свойств изделий.
Добавки второго типа останавливают горение полимера на ранней стадии, т. е. на стадии его термического распада, сопровождающегося выделением горючих газообразных продуктов.
Интумесцентный процесс заключается в комбинации образования кокса и вспенивания поверхности горящего полимера. Образующийся вспененный ячеистый коксовый слой, плотность которого уменьшается с ростом температуры, предохраняет горящий материал от воздействия теплового потока или пламени.
Добавки третьего типа применяются для термопластов, реактопластов и эластомеров.
Существует несколько типов таких добавок, из которых наиболее распространены три:
галогенсодержащие;
фосфорсодержащие;
гидроксиды металлов.

Эффективность галогенсодержащих антипиренов возрастает в ряду F-Cl-Br-I. Чаще всего в качестве антипиренов применяются хлор- и бром содержащие соединения, так как они обеспечивают наилучшее соотношение цена/качество.

Антипирены, содержащие бром , намного более эффективны, чем хлорсодержащие, так как продукты их горения менее летучи. Кроме того, хлорсодержащие антипирены выделяют хлор в широком интервале температур, поэтому содержание его в газовой фазе низкое, а бром содержащие антипирены разлагаются в узком интервале температур, обеспечивая, таким образом, оптимальную концентрацию брома в газовой фазе. Антипирены с соединениями брома легко подвергаются вторичной переработке вследствие высокого уровня термостойкости.

Хлорсодержащие антипирены : содержат большое количество хлора и действуют в газовой фазе. Чаще всего используются в комбинации с оксидами сурьмы в качестве синергетика. Они относительно дешевы, не разлагаются под действием света, но для достижения желаемого класса пожаробезопасности требуется большой процент ввода в полимер. Они менее термостабильны, по сравнению с бром содержащими антипиренами, но склонны вызывать сильную коррозию оборудования.

Фосфорсодержащие антипирены . Фосфорсодержащие соединения могут быть органическими и неорганическими. Они активны в газовой или конденсированной фазе, а иногда и в обоих.
Номенклатура фосфорсодержащих соединений довольно широка, и для начала можно разделить их на 2 группы – галогенсодержащие и не содержащие галогенов.
Достоинство соединений, содержащих галоген и фосфор, заключается в том, что они, во-первых, отщепляя при разложении галоген, радикалы, дезактивируют по обычному для галогенов механизму активные радикалы Н* и ОН* и, во-вторых, способствуют образованию карбонизированных структур (сажи, золы).

Синергические смеси . Большая часть галогенсодержащих антипиренов применяется в виде синергических смесей с оксидами сурьмы. Сам по себе оксид сурьмы не задерживает горения, так как плавится при температурах выше температур воспламенения большинства пластмасс. Однако в смеси с галогенсодержащими соединениями оксид сурьмы образует галогениды и окси галогениды сурьмы, которые при температуре воспламенения находятся в газообразном состоянии и разбавляют горючие газы. Кроме того, галогениды и окси галогениды действуют как поглотители радикалов ОН* аналогично действию HCl и HBr. Оксиды сурьмы часто используются для повышения огнестойкости ПВХ, из-за синергического эффекта с хлором, содержащимся в исходном полимере. Не рекомендуется использовать оксиды сурьмы в прозрачных и полупрозрачных изделиях. В этом случае, и для производства изделий с улучшенными электроизоляционными свойствами в качестве синергиста может использоваться оксид железа. Комплексные исследования показали, что оксид сурьмы не является канцерогенным соединением.

Критерии выбора галогенсодержащего антипирена .

При выборе антипирена главными факторами являются: тип полимера, требования по огнеопасности и его поведение в процессе переработки полимера – его термостойкость, температура плавления и качество диспергирования в полимере.
Эффективность антипиренов не зависит от степени их диспергирования или растворимости в полимере, так как большинство реакций, связанных с торможением горения происходит в газовой фазе. Она определяется по скорости диффузии галоген радикалов и скорости их взаимодействия со свободными радикалами.

Но необходимо учитывать влияние антипирена на физико-механические, электрические и прочие свойства, определяемые конечным применением изделия. Введение антипиренов обычно приводит к некоторому снижению физико-механических, диэлектрических и других эксплуатационных и технологических свойств материалов.

Вот здесь как раз и оказывается важным фактор равномерного диспергирования. Более того, рекомендуется выбирать антипирен таким образом, чтобы галоген радикалы образовывались при той же температуре, что и горючие продукты пиролиза полимера. Таким образом, поглотители свободных радикалов окажутся в газовой фазе одновременно с топливом, что обеспечит максимальную эффективность действия антипирена. Скорость образования галоген радикалов должна быть такой, чтобы улавливание активных радикалов могло происходить в течение всего времени, пока температура на поверхности остаётся выше температуры возгорания летучих.

Антипирены других классов .

Гидроксиды металлов .

Гидроксиды алюминия и магния занимают первое место среди антипиренов по объёму применения (более 40% всего объёма антипиренов). Это обусловлено их низкой стоимостью по сравнению с системами на основе галогенов или фосфора.

Механизм действия. Гидроксиды металлов под воздействием высоких температур разлагаются с выделением воды. Реакция разложения является эндотермической (сопровождается поглощением тепла), что приводит к охлаждению субстрата до температур ниже точки воспламенения. Образование воды способствует разбавлению горючих газов, выделяющихся при разложении, ослабляет действие кислорода и уменьшает скорость горения. Эффективность гидроксидов прямо пропорциональна их содержанию в полимере.

Гидроксид магния (МН) – представляет собой белый порошок с размером частиц от 0,5 до 5 мкм. Для достижения соответствующего огнезащитного эффекта вводится в количестве 50-70% от массы полимера. Гидроксид магния дороже, чем гидроксид алюминия, поэтому объём применения на порядок меньше. Но у него есть одно неоспоримое преимущество - он обладает более высокой теплостойкостью (до 3000 0 С), поэтому может применяться при переработке конструкционных термопластов. В основном используется в полипропилене, АБС пластиках и полифенилиден оксиде. Не рекомендуется использовать этот антипирен в термопластичных полиэфирах (ПЭТ, ПБТ), так как он ускоряет деструкцию таких полимеров.

На снимках представлена микрофотография частицы гидроксида магния и пенококса полимера с гидроксидом магния.

Гидроксид алюминия (АТН) – применяется в эластомерах, реактопластах и термопластах. Разлагается при температурах 190 - 2300С в зависимости от размера частиц (0,25-3 мкм). Одна из основных областей применения – повышение огнестойкости бутадиен-стирольного латекса, используемого при производстве ковровых покрытий. Также он широко используется для изготовления негорючих эластомеров для кабельной изоляции, ленточных транспортёров, кровельных материалов и шлангов. Возможно использование для повышения огнестойкости ненасыщенных полиэфиров. Этот антипирен широко применяется в полиолефинах, ПВХ, термоэластопластах.
Наибольшая эффективность наблюдается при использовании гидроксида алюминия в кислородосодержащих полимерах – ПЭТ, ПБТ, ПА.

Меламин и его производные – небольшой, но довольно быстро развивающийся сегмент рынка.

Включает в себя меламин, его гомологи и соли с органическими и неорганическими кислотами (борной, циануровой и фосфорной). Основной производитель добавок этого типа – компания DSM. При использовании меламин содержащих антипиренов происходит эндотермическое разложение с разбавлением газов, поглощением активных радикалов с образованием углеродистых структур. Более того, меламин содержащие соединения недороги, нетоксичны и не вызывают коррозии оборудования.
В настоящее время этот класс антипиренов применяется, в основном, в вспененных и термопластичных полиуретанах, полиамидах. Также ведутся разработки меламин содержащих антипиренов для полиолефинов и термопластичных полиэфиров.

Нанокомпозиты имеют много преимуществ перед традиционными антипиренами. В качестве наполнителей используются малые количества модифицированных слоистых силикатов. Таким образом, механические свойства у них такие же, как и у ненаполненных полимеров. Переработка нанокомпозитов весьма проста, при этом нанокомпозиты не содержат галогенов и рассматриваются как экологически дружественная альтернатива.
Механизм подавления пламени посредством введения силикатных нанокомпозитов основывается на образовании углистого слоя и его структуре. Углистый слой изолирует базовый полимер от источника тепла и образует, тем самым, барьер, уменьшающий выделение летучих продуктов в процессе горения. Хотя подавление пламени является относительно новой сферой применения нанокомпозитов, в качестве наполнителей они весьма важны для создания относительно огнестойких полимеров с улучшенными свойствами. Сочетания органоглинозёмов с другими антипиренами-наполнителями, такими, как гидроксид алюминия, также демонстрируют многообещающие свойства.

Обычно он используется в комбинации с фосфорсодержащими соединениями, оксидами сурьмы или гидроксидами металлов, которые создают подложку для слоя вспененного графита. Недостатком графита является чёрный цвет и электропроводность, что ограничивает его применение.

Тенденции на рынке антипиренов.

Мировой рынок антипиренов оценивается примерно в 30% от общего потребления добавок в полимеры (за исключением пигментов и красителей). Структура рынка антипиренов выглядит следующим образом:

Пожары класса А

Древесина и древесные материалы.

В связи с широким применением древесина очень часто является основным горючим материалом. На судах ее используют в качестве палубного настила и внутренней отделки переборок (только на небольших судах), подсти-лочного и сепарационного материала и т.п. Древесные материалы содержат переработанную древесину или древесное волокно. К ним относятся некоторые виды изоляции, отделочные плиты подволоков, фанера и обшивка, бумага, картон и оргалит.

Свойства древесины и древесных материалов зависят от конкретного их типа. Однако все эти материалы горючи, при определенных условиях обугливаются, тлеют, воспламеняются и горят. Их самовоспламенения, как правило, не происходит. Для загорания обычно требуется такой источник воспламенения, как искра, открытое пламя, горячая поверхность, тепловое излучение. Но в результате пиролиза древесина может превращаться в древесный уголь, температура воспламенения которого ниже температуры воспла-менения самой древесины.

Древесина состоит в основном из углерода, водорода и кислорода, а также небольших количеств азота и других элементов. В сухом состоянии основную ее массу составляет целлюлоза. Среди других компонентов сухой древесины следует отметить сахар, смолы, минеральные вещества (из которых при горении древесины образуется зола).

Характеристики горючести.

Температура воспламенения древе-сины зависит от таких факторов, как размер, форма, содержание влаги и сорт. Как правило, температура самовоспламенения древесины около 200°С, но принято считать, что 100 С - это максимальная температура, воздействию которой можно подвергать древесину в течение длительного времени, не опасаясь ее самовоспламенения.

Скорость сгорания древесины и древесных материалов в значительной степени зависит от конфигурации изделий из них, количества окружающего ее воздуха, содержания влаги и других факторов. Но для полного сгорания древесины под воздействием теплоты должны выделиться пары.

Медленно развивающийся пожар или источник теплового излучения может постепенно передать достаточное количество энергии для начала пиролиза изделий из древесины на переборках и подволоках. Выделяющиеся при этом горючие пары будут смешиваться с окружающим воздухом. Когда эта смесь окажется в диапазоне воспламеняемости, от любого источника воспламенения почти мгновенно может произойти возгорание всей массы. Данное состояние называется общей вспышкой. При тушении пожаров, связанных с горением таких горючих материалов, как отделанные деревянными панелями переборки и мебель в небольших помещениях старых судов, экипаж должен принимать меры против общей вспышки. На современных судах в каютах, коридорах и других ограниченных помещениях используют негорючие материалы.

По большинству твердых горючих материалов пламя продвигается медленно. Прежде чем пламя может распространиться, из твердого горючего материала должны выделиться горючие пары, которые затем в определенной пропорции перемешиваются с воздухом.

Громоздкие твердые материалы с небольшой площадью поверх-ности (например, толстые бревна) горят медленнее, чем твердые материалы, имеющие меньшую толщину, но большую площадь поверхности (например, листы фанеры). Твердые материалы в виде стружек, опилок и в пылевидной форме горят быстрее, поскольку суммарная площадь поверхности отдельных частиц очень велика. Как правило, чем больше толщина горючего материала, тем больше нужно времени для выхода паров в воздух и тем дольше он будет гореть. Чем больше площадь поверхности, тем быстрее горит твердый материал, так как значительная площадь позволяет горючим веществам выделяться с большей скоростью и быстро перемешиваться с воздухом.

Продукты сгорания. При горении древесины и древесных материалов образуется водяной пар, теплота, двуокись и окись углерода. Основную опасность для экипажа представляют недостаток кислорода и присутствие окиси углерода. Кроме того, при горении древесины образуются альдегиды, кислоты и различные газы. Эти вещества сами по себе или в сочетании с водяным паром могут, как минимум, оказывать сильное раздражающее воздействие. Вследствие токсичности большинства этих газов при работе в зоне пожара или вблизи, необходимо применение дыхательных аппаратов.

При непосредственном соприкосновении с пламенем или от теплоты, излучаемой пожаром, люди могут получать ожоги. Пламя редко отрывается от горящего материала на значительное расстояние. Однако при некоторых видах тлеющих пожаров возможно образование теплоты, дыма и газа без видимого огня, а воздушные потоки могут относить их далеко от пожара.

Как большинство органических веществ, древесина и древесные материалы имеют способность выделять в начальной стадии пожара большое количество дыма. В некоторых случаях горение может не сопровождаться образованием видимых продуктов сгорания, но обычно при пожаре происходит выделение дыма, который, как и пламя, служит видимым признаком пожара. Дым часто является первым предупреждением о возникшем пожаре. В то же время дымо-образование, значительно ухудшающее видимость и вызывающее раздражение органов дыхания, как правило, способствует возник-новению паники.

Текстильные и волокнистые материалы.

Текстильные мате-риалы в виде одежды, мебельной обивки, ковров, брезента, парусины, тросов и постельных принадлежностей находят широкое применение на судах. Кроме того, они могут перевозиться в качестве груза. Почти все текстильные материалы горючи. Этим объясняется большое количество пожаров, связанных с загоранием текстильных материалов и сопровождающихся травмами и гибелью людей.

Растительные (натуральные) волокна, к которым относятся хлопок, джут, пенька, лен и сизаль, состоят главным образом из целлюлозы. Хлопок и другие волокна горючи (температура самовоспламенения волокон хлопка 400°С). Их горение сопровождается выделением дыма и теплоты, двуокиси углерода, окиси углерода и воды. Растительные волокна не плавятся. Легкость воспламенения, скорость распро-странения пламени и количество образующейся теплоты зависят от структуры и отделки материала, а также от конструкции готового изделия.

Волокна животного происхождения, такие как шерсть и шелк, отличаются от растительных по химическому составу и не горят так легко, как эти волокна, скорее, они склонны к тлению. Например, шерсть, состоящая в основном из протеина, воспламеняется труднее, чем хлопок (температура самовоспламенения волокон шерсти 600°С), и горит медленнее, поэтому ее легче тушить.

Синтетические текстильные материалы - это ткани, изготовленные полностью или в основном из синтетических волокон. К ним относятся вискоза, ацетат, нейлон, полиэстер, акрил. Пожарную опасность, связанную с синтетическими волокнами, часто трудно оценить, так как некоторые из них при нагревании дают усадку, плавятся и стекают. Большинство синтетических текстильных материалов в разной степени горючи, а температура воспламенения, скорость горения и другие свойства при горении существенно отличаются друг от друга.

Характеристики горючести. Горение текстильных материалов зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются химический состав волокон, отделка ткани, ее масса, плотность переплетения нитей и огнезащитная пропитка.

Растительные волокна легко воспламеняются и хорошо горят, выделяя значительное количество густого дыма. Частично сгоревшие растительные волокна могут представлять опасность пожара даже после того, как он был потушен. Полусгоревшие волокна всегда следует убирать из района пожара в те места, где повторное их воспламенение не создаст дополнительных сложностей. Большинство уложенных в кипы растительных волокон быстро впитывают воду.

Кипы разбухают и увеличиваются в весе при подаче на них большого количества воды в процессе тушения пожара.

Шерсть плохо воспламеняется до тех пор, пока не окажется под сильным воздействием теплоты; она тлеет и обугливается, а не свободно горит. Тем не менее шерсть способствует усилению пожара и поглощает большое количество воды. Этот фактор следует учитывать при длительной борьбе с пожаром.

Шелк - наиболее опасное волокно. Он плохо воспламеняется и плохо горит. Для его горения обычно требуется наличие внешнего источника теплоты. При загорании шелк сохраняет тепло дольше других волокон. Кроме того, он поглощает большое количество воды. Влажный шелк может самовоспламениться. При воспламенении кипы шелка внешние признаки пожара появляются лишь при прогорании кипы до наружной поверхности.

Характеристики горючести синтетических волокон зависят от материалов, использованных при их изготовлении. В таблице приве-дены характеристики горючести некоторых наиболее распростра-ненных синтетических материалов. Полученные при проведении лабораторных испытаний, эти характеристики могут быть неточными. Некоторые синтетические материалы при испытании небольшим источником пламени, например, спичкой, могут показаться огне-стойкими. Но если испытание этих же материалов проводят с помощью более сильного источника пламени, то они сильно горят и полностью сгорают, образуя большое количество черного дыма. Те же результаты дают и натурные испытания.

Характеристики горючести некоторых синтетических материалов:

Материал	Характеристики горючести
Ацетат	Воспламеняется примерно так же, как хлопок; горит и плавится, опережая пламя
Акрил	Горит и плавится; размягчается при 235-330°С; температура воспламенения 560°С
Нейлон	С трудом поддерживает горение; плавится и стекает; температура плавления 160 - 260°С; температура воспламенения 425°С и выше
Полиэстер	Горит быстро; размягчается при 256-292°С и стекает; температура воспламене-ния 450- 485°С
Пластмассовая упаковка	Не поддерживает горения, плавится
Вискоза	Горит примерно так же, как хлопок

Продукты сгорания

Как было указано ранее, все горящие материалы выделяют горючие газы, пламя, теплоту и дым, что ведет к снижению уровня содержания кислорода. Основные газы, образую-щиеся при горении, это двуокись углерода, окись углерода и водяной пар.

Растительные волокна, например джут, выделяют при горении большое количество едкого плотного дыма.

При горении шерсти появляется густой серовато-коричневый дым, а также при этом образуется цианистый водород, который является весьма токсичным газом. При обугливании шерсти получается липкое черное вещество, напоминающее деготь.

Продуктом сгорания шелка является пористый уголь, смешанный с золой, который продолжает тлеть или гореть только в условиях сильной тяги. Тление сопровождается выделением светло-серого дыма, вызывающего раздражение дыхательных путей. В определенных условиях при горении шелка может выделяться цианистый водород.

Пластмассы и резина

При изготовлении пластмасс используется огромное количество органических веществ, в том числе фенол, крезол, бензол, метиловый спирт, аммиак, формальдегиды, мочевина и ацетилен. Пластмассы на основе производных целлюлозы состоят главным образом из хлопчатобумажных компонентов; для изго-товления многих типов пластмасс применяется древесная мука, древесная масса, бумага и ткани.

Исходными материалами при производстве резины являются натуральный и синтетический каучуки.

Натуральный каучук получают из каучукового латекса (сока каучукового дерева), соединяя его с такими веществами, как углеродная сажа, масла и сера. Синтетический каучук по некоторым характеристикам аналогичен природному. Примерами синтетических каучуков являются акриловый, бутадиеновый и ноопреновый каучуки.

Характеристики горючести. Характеристики горючести пласт-масс различны. В значительной степени они зависят от формы изделий, которые могут быть представлены в виде твердых профилей, пленок и листов., формованных изделий, синтетических волокон, гранул или порошков. Поведение пластмасс в процессе пожара также зависит от их химического состава, назначения и причины загорания. Многие пластмассы горючи и в случае сильного пожара способствуют его интенсификации

В зависимости от скорости горения пластмассы можно разделить на три группы.

1-я группа. Материалы, которые вообще не горят или прекращают гореть при удалении источника воспламенения. В эту группу входят асбонаполненные фенолальдегидные смолы, некоторые поливинил-хлориды, нейлон и фторированные углеводороды.

2-я группа. Материалы, которые являются горючими и горят сравнительно медленно; при удалении источника воспламенения горение их может прекратиться, а может и продолжаться. Эта группа пластмасс включает формальдегиды с древесными заполнителями и некоторые производные винила.

3-я группа. Материалы, которые легко горят и продолжают гореть после удаления источника воспламенения. В состав этой группы входят полистирол, акрилы, некоторые ацетилцеллюлозы и полиэтилен.

Отдельный класс образует старейшая, хорошо известная разно-видность пластмасс - целлулоид, или нитроцеллюлоза, которая является самой опасной из пластмасс. При температурах 121°С и выше целлулоид очень быстро разлагается, не нуждаясь в поступлении дополнительного кислорода из воздуха. При разложении выделяются воспламеняющиеся пары. Если эти пары будут скапливаться, то может произойти сильный взрыв. Горение целлулоида протекает очень бурно, тушить такой пожар трудно.

Теплотворная способность резины примерно в два раза выше, чем других твердых горючих материалов. Так, например, теплотворная способность резины составляет 17,9-10 6 кДж, а древесины сосны 8,6-10 6 кДж. Многие виды резины при горении размягчаются и текут, способствуя тем самым быстрому распространению пожара. Резина из натурального каучука при первоначальном нагревании разлагается медленно, но затем, примерно при 232°С и выше, она начинает быстро разлагаться, выделяя газообразные вещества, что может привести к взрыву. Температура самовоспламенения этих газов примерно 260 °С. Резина из синтетического каучука ведет себя аналогично, но температура, при которой она начинает быстро разлагаться, несколько выше.

Для большей части пластмасс в зависимости от их компонентов температура разложения составляет 350°С и выше.

Продукты сгорания. Горящие пластмассы и резины выделяют газы, теплоту, пламя и дым, при этом образуются продукты сгорания, воздействие которых может привести к интоксикации или смерти.

Вид и количество дыма, выделяемого горящей пластмассой, зависят от характера пластмассы, имеющихся добавок, вентиляции, а также от того, сопровождается горение пламенем или тлением. Большинство пластмасс при нагревании разлагается с появлением густого дыма. Вентиляция способствует рассеиванию дыма, но не может обеспечить хорошую видимость. Те пластмассы, которые горят чистым пламенем, под воздействием огня и высокой температуры образуют менее густой дым.

При горении пластмасс, содержащих хлор, например поливинилхлорида, который является изоляционным материалом кабелей, основным продуктом сгорания является хлористый водород, имеющий едкий раздражающий запах. Вдыхание хлористого водорода может вызвать смерть.

Горящая резина выделяет плотный черный жирный дым, содержащий два токсичных газа - сероводород и двуокись серы. Оба газа опасны, так как в определенных условиях вдыхание их может привести к смерти.

Обычное месторасположение на судне.

Хотя суда строят из металла и они кажутся негорючими, на них всегда имеется большое количество воспламеняющихся материалов. Практически все эти материалы перевозят в качестве груза, размещая в грузовых трюмах или на палубе, в контейнерах или навалом. Кроме того, широкое применение на судне находят твердые материалы, загорание которых может вызвать пожары класса А. Обстройка в жилых помещениях пассажиров, рядового и командного составов выполняется обычно из материалов, воспламенение которых приводит к пожарам класса А. В салонах и помещениях для отдыха могут находиться диваны, кресла, столы, телевизоры, книги и другие предметы, полностью или частично изготовленные из этих материалов.

Среди мест нахождения таких материалов следующие:

ходовой мостик, где установлены деревянные столы, сосре-доточены карты, астрономические ежегодники и другие предметы, изготовленные из горючих материалов;

плотницкая, так как здесь могут находиться различные виды древесины;

боцманская кладовая, в которой хранятся различные виды растительных тросов;

металлические грузовые контейнеры, которые снизу обычно обшиты деревом или древесными материалами;

трюм, где могут храниться лесоматериалы для подтоварника, лесов и т. п.;

коридоры, так как здесь часто оставляют большое количество мешков с бельем для переноски их в прачечную и обратно.

Тушение пожаров класса А.

Материалы, наиболее часто склонные к загоранию, лучше всего тушить водой - самым распространенным огнетушащим веществом.

Показатели пожарной опасности веществ. Для полной оценки пожарной опасности твердых веществ и материалов, а также жидкостей и газов необходимы определенные показатели.

Температурой воспламенения называется наименьшая температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после воспламенения их от внешнего источника зажигания вещество устойчиво горит. Температура воспламенения - показатель пожароопасности только горючих веществ и материалов, поскольку она характеризует способность их к самостоятельному горению.

Температурой самовоспламенения называется наименьшая температура вещества (или его смеси с воздухом), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного горения.

Температуру воспламенения газов и паров учитывают в случаях:

классификации газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей по группам взрывоопасности для выбора типа электрооборудования (при этом имеют в виду стандартную температуру самовоспламенения);

выбора температурных условий безопасного применения вещества при нагреве его до высоких температур (при этом используют минимальную температуру самовоспламенения);

вычисления максимально допустимой температуры нагрева не теплоизолированных поверхностей технологического, электрического и иного оборудования;

расследования причин пожара, если необходимо определить, могло ли самовоспламениться вещество от нагретой поверхности.

Склонность к самовозгоранию характеризует способность ряда веществ и материалов самовозгораться при нагревании до сравнительно небольших температур или контакте с другими веществами, а также при воздействии тепла, выделяемого микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности. В соответствии с этим различают тепловое, химическое и микробиологическое самовозгорание.

Склонность к тепловому самовозгоранию характеризуется температурами самонагревания и тления, а также зависимостью температуры среды, при которой наблюдается самовозгорание, от размеров и формы образца. Склонность к самовозгоранию учитывают при разработке пожарно-профилактических мероприятий.

Температурой самонагревания называется наименьшая температура, при которой в веществе или материале возникают практически различимые экзотермические процессы окисления и разложения, которые могут привести к самовозгоранию.

Нагревание до температуры самонагревания - наименьшей температуры вещества, потенциально может представлять пожарную опасность. Температуру самонагревания учитывают при определении условий безопасного длительного (или постоянного) нагрева вещества.

Безопасной температурой нагревания данного вещества или материала (независимо от размеров образца) следует считать температуру, не превышающую 90 % величины температуры самонагревания.

Температурой тления называется критическая температура твердого вещества, при которой резко увеличивается скорость процесса самонагревания, что приводит к возникновению очага тления. Температуру тления учитывают при расследовании причин пожаров, определении безопасных условий нагревания твердых материалов и т.д.

Рассмотрим особенности протекания процесса окисления самовозгорающихся веществ растительного происхождения, ископаемых углей, масла и жира, химических веществ и смесей.

К числу самовозгорающихся веществ растительного происхождения относят шрот, рыбную муку, сено, жмыхи и др. Особенно подвержены самовозгоранию влажные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность микроорганизмов.
Наличие влаги в растительных продуктах при определенных температурах сопровождается размножением микроорганизмов, интенсификация жизнедеятельности которых вызывает повышение температуры. Растительные продукты - плохие проводники тепла, поэтому в них происходит дальнейшее повышение температуры.
При благоприятных для аккумуляции тепла условиях: значительной массе растительного продукта, например, сена или жмыха в трюме, температура может достигнуть 70°С.

При этой температуре микроорганизмы гибнут, а их разложение сопровождается дальнейшим повышением температуры с образованием пористого угля, который способен поглощать пары и газы в большом объеме.
Этот процесс также сопровождается выделением тепла и постепенным повышением температуры до 100 - 130 °С, при котором происходит распад новых соединений с образованием пористого угля. При температуре 200 °С разлагается клетчатка, входящая в состав растительных продуктов, и образуется новый вид угля, способный интенсивно окисляться. Процесс окисления угля приводит к дальнейшему повышению температуры, вплоть до возникновения горения.

Самовозгораться способен и уголь, получаемый при термическом разложении целлюлозных материалов, например древесный уголь. Причем это происходит сразу после его изготовления. С течением времени его способность поглощать пары и газы уменьшается, вследствие чего древесный уголь, длительное время находившийся на воздухе, теряет склонность к самовозгоранию.

Ископаемый уголь некоторых видов способен окисляться при низких температурах и поглощать кислород из воздуха и другие газы или пары. Но главной причиной самовозгорания является окисление угля. Поглощение углем паров и газов также сопровождается повышением температуры.
Наибольшей поглотительной способностью обладает молодой уголь, содержащий влагу. Так, свежедобытый бурый уголь содержит 10 - 20% гигроскопической влаги, а тощий – примерно 1%, поэтому последний более устойчив к самовозгоранию. Повышение влаги вызывает повышение температуры угля до 60 - 75°С, а дальнейшее выделение тепла происходит за счет окисления органической массы.

Развитие процесса самовозгорания ископаемого угля зависит от степени его измельченности: чем мельче уголь, тем больше поверхность поглощения и окисления, больше скорость их протекания, тем больше выделяется тепла.

Нередко причиной пожара является самовозгорание жиров и масел минерального, растительного или животного происхождения , которыми пропитаны волокнистые материалы и ткани.

Минеральные масла (машинное, соляровое, трансформаторное) представляют собой смесь предельных углеводородов и в чистом виде самовозгораться не могут. Самовозгорание их возможно при наличии примесей растительных масел. Растительные масла (конопляное, льняное, подсолнечное, хлопковое) и масла животного происхождения (сливочное) представляют собой смесь глицеридов жирных кислот.

Многие химические вещества и их смеси при соприкосновении с воздухом или влагой способны самонагреваться. Эти процессы нередко заканчиваются самовозгоранием.

По способности к самовозгоранию химические вещества подразделяются на три группы:

1-я группа.

Вещества, самовозгорающиеся при соприкосновении с воздухом (активированный уголь, фосфор белый, растительные масла и жиры, сернистые металлы, алюминиевый порошок, карбид щелочных металлов, порошкообразные железо, цинк и др.).
Окисление некоторых веществ этой группы, вызванное их взаимодействием с водяными парами воздуха, сопровождается выделением большого количества теплоты и протекает настолько быстро, что вскоре переходит в горение или взрыв. Для других веществ процессы самонагревания продолжаются длительное время (например, процесс самовозгорания белого фосфора заканчивается горением через несколько секунд, а процесс самовозгорания свежеприготовленного активированного угля продолжается несколько дней).

2-я группа.

Вещества, вызывающие горение при взаимодействии га с водой (щелочные металлы и их карбиды, окись кальция (негашеная известь), перекись натрия, фосфористый кальций, фосфористый натрий и др.).
Взаимодействие щелочных металлов с водой или влагой воздуха сопровождается выделением водорода, который воспламеняется за счет теплоты реакции. Попадание на негашеную известь небольшого количества воды вызывает самонагревание, заканчивающееся сильным разогревом (до свечения), поэтому находящиеся поблизости горючие материалы могуттзоспламениться.

3-я группа.

Вещества, самовозгорающиеся при смешивании одного с другим. Так, воздействие азотной кислоты на древесину, бумагу, ткани, скипидар и эфирные масла вызывает воспламенение последних; хромовый ангидрид воспламеняет спирты, эфиры и органические кислоты; ацетилен, водород, метан и этилен самовозгораются в атмосфере хлора на дневном свету; измельченное железо (опилки) самовозгорается в атмосфере хлора; карбиды щелочных металлов воспламеняются в атмосфере хлора и двуокиси углерода.

Температурой вспышки называется наименьшая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от внешнего источника зажигания.

Температура вспышки является параметром, ориентировочно показывающим температурные условия, при которых горючее вещество становится огнеопасным. Температура вспышки горючих жидкостей при данной классификации определяется только в закрытом тигле.

Областью воспламенения газов (паров) в воздухе называется область концентрации данного газа в воздухе при атмосферном давлении, внутри которой смеси газа с воздухом способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением пламени по смеси.

Граничные концентрации области воспламенения называют соответственно нижним и верхним пределами воспламенения газов (паров) в воздухе. Величины пределов воспламенения используют при расчете допустимых концентраций газов внутри взрывоопасных технологических аппаратов, систем вентиляции, а также при определении предельно допустимой взрывоопасной концентрации паров и газов при работах с применением огня, искрящего инструмента.

Величину концентрации газа или пара в воздухе внутри технологического аппарата, не превышающую 50% величины нижнего предела воспламенения, можно принимать как взрывобезопасную концентрацию. Обеспечение взрывобезопасности среды внутри аппаратуры при нормальном технологическом режиме не дает основания считать данное оборудование невзрывоопасным.

За величину предельно допустимой взрывобезопасной концентрации (ПДВК) паров и газов при работе с применением огня, искрящего инструмента следует принимать концентрацию, которая не превышает 5% величины нижнего предела воспламенения данного пара или газа в воздухе при отсутствии в рассматриваемом аппарате конденсированной фазы.

Температурными пределами воспламенения паров в воздухе называются такие температурные границы вещества, при которых насыщенные пары образуют концентрации, равные соответственно нижнему или верхнему концентрационному пределу воспламенения.

Температурные пределы воспламенения учитывают при расчете безопасных температурных режимов в закрытых технологических объемах с жидкостями (топливные грузовые танки и т.п.), работающими при атмосферном давлении.

Безопасной, в отношении возможности образования взрывоопасных паровоздушных смесей, следует считать температуру и максимальное давление взрыва.

Максимальное давление взрыва - это наибольшее давление, возникающее при взрыве. Его учитывают при расчете взрывоустойчивости аппаратуры с горючим газом, жидкостями и порошкообразными веществами, а также предохранительных клапанов и взрывных мембран, оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования.

Показатель возгораемости (коэффициент К) ~ безразмерная величина, выражающая отношение количества тепла, выделяемого образцом в процессе испытаний, к количеству тепла, выделяемому источником зажигания,

где q - тепло, выделенное образцом в процессе горения, ккал;

q и - тепловой импульс, т.е. тепло, подведенное к образцу от постоянного источника

поджигания, ккал.

По результатам испытаний степень возгораемости оценивается следующим образом.

Материалы несгораемые - материалы, которые при нагревании до 750°С не горят и на воздухе не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения от поднесенного пламени. Поскольку определенный по методу калориметрии коэффициент К < 0,1 , такие материалы не способны гореть на воздухе.

Материалы трудносгораемые - материалы, температура воспламенения которых ниже 750°С, причем материал горит, тлеет или обугливается только под воздействием поднесенного пламени и перестает гореть или тлеть после его удаления (0,1 < К < 0,5).

Материалы трудновоспламеняемые (или самозатухающие) - материалы, температура воспламе-нения которых ниже 750°С, причем материал горит, тлеет или обугливается под воздействием поднесенного пламени. После его удаления материал продолжает гореть затухающим пламенем, не рас-пространяющимся по образцу (0,5 < К < 2,1). Такие материалы не способны возгораться в воздушной среде даже при длительном воздействии источника зажигания незначительной энергии (пламени спички 750 - 800°С, тления папиросы 700 - 750°С и т.д.).

Материалы сгораемые - материалы, температура воспламенения которых ниже 750°С, причем материал, воспламенившись от поднесенного пламени, продолжает гореть или тлеть после его удаления (К > 2,1).

Скорость горения. Скорость горения твердого вещества зависит от его формы. Измельченные твердые вещества в виде опилок или стружек будут гореть быстрее, чем монолитные. У измельченного горючего вещества большая поверхность горения подвергается воздействию тепла, поэтому теплота поглощается намного быстрее, испарение происходит значительно активнее, с выделением большего количества паров. Горение протекает очень интенсивно, вследствие чего горючее вещество расходуется быстро. С другой стороны, монолитное горючее вещество будет гореть дольше, чем измельченное.

Облака пыли состоят из очень мелких частиц. Когда облако воспламеняющейся пыли (например, зерновой) хорошо перемешивается с воздухом и воспламеняется, горение происходит очень быстро и часто сопровождается взрывом. Такие взрывы наблюдались при погрузке и выгрузке зерна и других измельченных горючих веществ.

Различают две скорости горения: массовую и линейную.

Массовой скоростью горения называется масса (т, кг) вещества, выгоревшего в единицу времени (мин, ч).

Линейной скоростью горения твердых горючих веществ называется скорость распространения огня (м/мин) и скорость роста площади очага пожара (м 2 /мин). Скорость горения твердых веществ зависит от степени их измельчения, влажности, объемного веса, доступа воздуха и ряда других факторов.

Изучение случаев пожара на судах дает возможность принять следующую среднюю линейную скорость горения (м/мин) различных объектов:

Посты управления.....................................................................0,5

Жилые помещения...................................................................1,0-1,2

Хозяйственные помещения, кладовые сгораемых материалов.....0,6-1,0

Грузовые помещения..................................... .........................0,5-0,7

Палубы автомобильных паромов............... ...............................1,5

Машинное отделение с ДВС при горении дизельного топлива под плитами....10

Отделения вспомогательных механизмов......... .........................1,2

Помещения электрооборудования.............................................0,8

Котельные отделения при горении мазута под плитами.............8,0

Примерно в течение первых 2-3 мин пожара быстро увеличивается площадь его очага (на пассажирских судах - до 20 м 2 /мин). Это время уходит обычно на сбор по тревоге экипажа судна и поэтому активная борьба с пожаром еще не ведется. В последующие 10 мин, когда начинают использоваться стационарные средства водо- и пенотушения, рост площади очага пожара замедляется.

Линейная скорость распространения огня определяет площадь очага пожара, а степень выгорания всего, что может гореть на этой площади, - продолжительность пожара.

Линейная скорость горения жидкости характеризуется высотой ее слоя (мм, см), выгоревшего в единицу времени (мин, ч). Скорость распространения пламени при воспламенении горючих газов составляет от 0,35 до 1,0 м/с.

Скорость выгорания характеризуется количеством горючего, сгорающего в единицу времени с единицы площади горения. Она определяет интенсивность сгорания материалов при пожаре. Ее необходимо знать для расчета продолжительности пожара в любых жидкостях. Скорость выгорания жидкости, разлитой на поверхности морской воды, примерно такая же, как и при выгорании ее с открытых поверхностей емкостей.

Температура. Важнейшим параметром судового пожара, в значительной мере определяющим не только инженерно-профилактические мероприятия, но и тактические действия аварийных партий и групп судов является температура. Особенно большое значение имеет температура при внутренних судовых пожарах.

От температуры пожара зависит интенсивность теплопередач от зоны пожара в окружающую среду, скорость движения газовых потоков, а также возможность взрывов, представляющих крайнюю опасность при тушении пожара.

Температурное поле пожара весьма неоднородно. Чем ближе к зоне пожара, тем температура, как правило, выше. В верхней части помещений воздух обычно более нагрет, чем у палуб. С учетом поведения судовых конструкций и материалов и с пожарно-тактической точки зрения удобнее всего за температуру пожара принять среднюю температуру дымовых газов, заполняющих зону пожара. Существенное значение имеют также температуры на поверхностях судовых конструкций, ограждающих зону пожара: температура на поверхности, обращенной к огню, и температура на противоположной огню поверхности.

Ориентировочно температуру в некоторых точках зоны пожара можно определить косвенным путем - по оплавлению несгоревших материалов, находившихся в зоне пожара, или по цвету каления нагретых тел (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Зависимость цвета каления от температуры

При горении твердых материалов температура пожара зависит главным образом от рода материалов, величины пожарной нагрузки, условий притока воздуха и удаления продуктов сгорания, а также продолжительности горения.

Зависимость температуры пожара от продолжительности горения для всех твердых веществ имеет приблизительно одинаковый характер. Вначале температура резко возрастает до максимума, а по мере выгорания материала происходит ее постепенный спад. При повышении пожарной нагрузки увеличивается общая продолжительность горения, возрастает максимальная температура пожара, спад температуры происходит медленнее, но характер зависимости остается неизменным.

В условиях ограниченного газообмена, например при закрытых проемах в жилом помещении, увеличение температур происходит значительно медленнее. Максимальная температура достигает 800 -900°С.

Температурный режим в помещениях при горении жидкостей имеет свои особенности. Поскольку жидкости обычно находятся в каких-либо сосудах (в поддонах, цистернах и т.д.), их горение зачастую имеет локальный характер. В этих условиях, если отношение площади горения к площади палубы близко к единице, температура пожара составляет приблизительно 1100°С. Если же площадь горения составляет лишь небольшую часть площади палубы, температура значительно ниже.

Температурный режим пожара при одновременном горении жидкостей и твердых материалов зависит от того, какие горючие материалы преобладают: если жидкости составляют лишь небольшую часть пожарной нагрузки, то температурный режим мало отличается от режима твердых материалов.

При внутренних пожарах в зоне агрессивного воздействия тепла могут быть внезапные конвективные потоки раскаленных газов, которые возникают при изменении условий газообмена, вызываемых открыванием дверей и других проемов.

Зона агрессивного воздействия тепла является частью зоны задымления , в ней возможны опасные для человека температуры. Человек способен очень короткое время находиться в сухом воздухе, имеющем температуру 80 - 100°С. Длительное пребывание при температуре 50 - 60°С вызывает тягчайшие последствия от перегревания. Влажный воздух при температуре 50 - 60°С для многих людей становится непереносимым через несколько минут.

При оценке пожарной опасности газов определяют область воспламенения в воздухе, максимальное давление взрыва, температуру самовоспламенения, категорию взрывоопасной смеси, минимальную энергию зажигания, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, номинальную скорость горения.

При оценке пожарной опасности жидкостей определяют группу горючести, температуру вспышки, температуру воспламенения, температурные пределы воспламенения, скорость выгорания. Для легковоспламеняющихся жидкостей дополнительно определяют область воспламенения в воздухе, максимальное давление взрыва, категорию взрывоопасной смеси, минимальную энергию зажигания, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, нормальную скорость горения.

При оценке пожарной опасности всех твердых веществ и материалов определяют группу возгораемости, температуру воспламенения. Для твердых веществ с температурой плавления ниже 300°С дополнительно определяют: температуру вспышки, температурные пределы воспламенения паров в воздухе.
Для пористых, волокнистых и сыпучих материалов при необходимости дополнительно определяют температуру самонагревания, температуру тления при самовозгорании, температурные условия теплового самовозгорания.
Для веществ порошкообразных или способных образовать пыль дополнительно определяют нижний предел воспламенения аэровзвеси, максимальное давление взрыва аэровзвеси, минимальную энергию зажигания аэровзвеси, минимальное взрывоопасное содержание кислорода.

При оценке пожарной опасности вещества необходимо изучить его свойства, выявить возможность их изменения с течением времени и при использовании в определенных условиях. В особенности это важно учитывать при контакте вещества с другими активными веществами при длительном нагреве, облучении и других внешних воздействиях, в результате которых могут измениться его физико-химические свойства.

При испытании судостроительных, а также других твердых материалов на возгораемость первоначально выявляется группа сгораемых материалов методом огневой трубы.

Материал считается сгораемым , если при испытании методом огневой трубы время самостоятельного горения или тления превышает 1 мин, а потеря веса образца - 20%. К сгораемым материалам относятся также материалы, самостоятельно горящие пламенем по всей поверхности образца, независимо от потери веса и времени его горения. Такие материалы дальнейшим испытаниям не подвергаются.

Материалы, имеющие потерю веса менее 20%, а также материалы, теряющие 20% веса и более, но самостоятельно горящие или тлеющие менее 1 мин для окончательной оценки степени возгораемости подвергаются дополнительным испытаниям по методу калориметрии.

Классификация твердых горючих материалов (ТГМ)

В соответствии с ГОСТ 12.1.04489 „Пожаровзрывоопасность веществ и материалов“ твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина, ткани и др.).

ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам:

по химическому составу,
по поведению при нагревании.

К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды это материалы однородного строения.

В отдельную подгруппу относят природные органические вещества, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение в условиях пожара всех растительных материалов похоже, и по этой причине их объединяют в одну группу целлюлозосодержащих материалов .

Элементорганические соединения органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галоиды и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества и по этой причине их выделяют в особую группу.

Неорганические твердые горючие вещества это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочноземельные металлы.

К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов.

Как видно из схемы, все твердые вещества по поведению при нагревании можно разделить на два класса: безгазовые и газифицирующиеся при нагревании.

Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся ко второму классу. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации. В свою очередь газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы по тому, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода.

Процесс воспламенения ТГМ 1-го рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме.

Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода . При горении веществ этой группы возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения.

Общие закономерности воспламенения и горения ТГМ

Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с изучаемыми нами ранее процессами горения газов и жидкостей. Однако, кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.

Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры ИЗ возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:

Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.
Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.
Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев.
Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.

Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме этого, необходимы затраты на плавление и разложение.

На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы. Этим стадиям соответствуют следующие зоны:

где Т 0 , Т пир, Т з, Т гор температура начальная, температура пиролиза, температура зажигания, температура горения соответственно.

зона исходного материала;
зона предварительного нагрева материала до температуры физико-химических превращений;
она фазового перехода, в которой происходит плавление или разложение материала;
зона образования горючей смеси и ее нагрев до температуры зажигания;
зона фронта пламени, где выделяется основная часть тепловой энергии и наблюдается максимальная температура;
зона продуктов горения, где продукты реакции смешиваются с холодным воздухом.

Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.

Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии и для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала .

Распространение пламени по поверхности ТГМ

После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения.

Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы :

природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов);
влажность материала;
ориентация образца в пространстве;
скорость и направление воздушных потоков;
начальная температура материала;
геометрические размеры образца (толщина, дисперсность).

Горение целлюлозосодержащих материалов

Целлюлоза это высокомолекулярный полисахарид, состоящий из молекул глюкозы.

Рассмотрим поведение при нагревании древесины как наиболее распространенного горючего материала.

Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов, и может протекать сразу в нескольких режимах - гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы: 1) гомогенное (т.е. пламенное) горение газообразных продуктов разложения и 2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Стадия пламенного горения занимает более короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 5560% всей энергии. Скорость гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности.

Тление

Тление беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление происходит за счет кислорода, содержащегося в порах материала.

К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалы растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.

Горение пыли

Пыль коллоидная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и газообразной дисперсионной среды, т.е. представляет собой твердое вещество, диспергированное (тонко размельченное) в газообразной среде.

Дисперсная фаза может состоять из частиц одинаковой величины (монодисперсная система ) или частиц разной величины (полидисперсная система ). Все промышленные пыли полидисперсные.

В зависимости от среднего размера частиц пыль может длительно находиться во взвешенном состоянии или сразу же оседать после кратковременного перехода во взвешенное состояние.

Дисперсная система, представляющая собой пыль, взвешенную в воздухе, называется аэрозолем . Осевшая пыль называется аэрогелем .

Даже в осевшем состоянии каждая отдельная частица раздробленного вещества со всех сторон окружена газовой (воздушной) оболочкой.

Аэрозоли по своим свойствам занимают промежуточное положение между аэрогелем и гомогенной газовоздушной смесью. Также как и аэрогели являются гетерогенными дисперсными системами с одинаковой твердой фазой, и поведение их определяется физико-химическими свойствами этой твердой фазы. С газовоздушными смесями аэрозоли сходны тем, что горение большинства из них протекает со взрывом, и характеризуются они многими параметрами, типичными для газовых смесей.

Из свойств пыли, определяющих их пожарную опасность, наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Особенности горения аэрогеля

Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения.

В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние . При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материал, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления . Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку 1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое; 2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли..

Особенности горения аэрозоля

Аэрозоли воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПРП, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва.

Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением , испускаемым фронтом пламени.

Воспламенение и распространение пламени в аэрозоле происходит только в том случае, если концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения.

Наименьшая концентрация пыли в воздухе, при которой смесь способна воспламениться от источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется, Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

В состоянии аэрозоля пыль может воспламеняться и гореть в кинетическом режиме, т.е. со взрывом, поэтому за основной параметр пожарной опасности принимается НКПРП. В осевшем состоянии пыль может самовоспламеняться и самовозгораться, по этому для оценки пожароопасных свойств аэрогеля используют температуру самовоспламенения Т св.

Все горючие пыли можно разделить на две группы и четыре класса:

Первая группа взрывоопасные пыли. Пыли способные к кинетическому горению и имеющие нижний концентрационный предел распространения пламени до 65 грамм на кубический метр включительно.

1 класс наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП 15 г/м и ниже;

2 класс взрывоопасные пыли с НКПРП от 15 и до 65 г/м;

Вторая группа пожароопасные пыли

3 класс наиболее пожароопасные пыли с Т св не выше 250°C;

4 класс пожароопасные пыли с Т св выше 250°C.

НКПРП пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: