Ипатьев А.В., Яглов В.Н. Дымообразующая способность веществ и материалов (физико-химические процессы, методы исследований, способы управления)

Подождите немного. Документ загружается.

БЕЛОРУССКИЙ РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ФОНД

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИПАТЬЕВ Александр Викторович,

ЯГЛОВ Валерий Николаевич

ДЫМООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

(физико-химические процессы, методы исследований, способы управления)

монография

Рецензенты:

академик НАН Беларуси, директор Института проблем

использования природных ресурсов и экологии Национальной

академии наук Беларуси

В.Ф. Логинов;

д.т.н., профессор, заместитель начальника ФГУ

«Всероссийский научно-исследовательский инсти тут

противопожарной обороны» МЧС Российской Федерации

И.А. Болодьян

МИНСК 2002

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание 2

Предисловие 3

1. О проблеме снижения дымообразующей способности материалов

для отделки помещений 4

2. Методические аспекты исследования процессов дымообразования 10

3. Факторы дымообразования 23

3.1. Образование аэрозолей и классификация дымообразующих веществ 23

3.2. Термодеструкция материалов 28

3.3. Состав и химическое строение материалов 35

4. Образование твердой и газовой фаз дыма при горении материалов 38

4.1. Строение твердой фазы дыма 38

4.2. Состав газовой фазы при дымообразовании 46

5. Управление процессами образования дыма 50

5.1. Подбор состава материалов 50

5.2. Химические добавки и химическое модифицирование материалов 56

5.3. Применение защитных покрытий и термостойких материалов 59

5.4. Вещества с повышенной дымообразующей способностью.

Дымоиммититрующий состав 63

Заключение 66

Литература 69

ПРЕДИСЛОВИЕ

Анализ причин гибели людей в результате пожаров в жилых помещениях, а

также в промышленных комплексах позволяет выявить основные опасные

факторы пожара, приводящие к гибели людей, а также параметры пожарной

опасности веществ и материалов, наметить возможные пути снижения

воздействия опасных этих факторов на жизнь и здоровье человека.

Проведенный в 90-е годы в ближнем и дальнем зарубежье довольно

широкий спектр исследований в данном направлении [1-6] позволил установить

фактор гибели человека на ранних стадиях пожара при воздействии дыма и

токсичных продуктов горения. Выявлено, также, что ухудшение видимости при

задымленности зданий и промышленных сооружений может привести к

дезориентации людей в задымленном помещении, панике.

Как показали результаты исследований Марьина М.И. и др. [6] и Ли-Чанга

Т.Л. и др.[7], причиной гибели людей при пожарах может быть и ингаляционное

поражение в результате вдыхания раскаленных частиц дыма, поражающих

слизистые оболочки бронхов, легких, альвеол и приводящих к нарушению

функции дыхания. Более того, целый ряд строительных отделочных материалов в

условиях пожара выделяет летучие токсичные соединения, которые в процессе

дыхания попадают в кровь и разрушающе воздействуют на центральную

нервную систему человека.

Для полимерных отделочных материалов, широко применяемых в

современном строительстве, токсичное действие газовой фазы продуктов

горения усугубляется присутствием в их составе газоаэрозольных смесей,

обладающих высокой проникающей способностью в организм человека.

Присутствие в крови погибших при пожарах людей множества частичек сажи –

является свидетельством этого процесса [8].

Несомненно, процессы воздействия дыма и продуктов горения на человека и

среду его обитания должны быть контролируемы. Не случайно поэтому в

экономически развитых странах контроль за дымообразующей способностью

используемых в строительстве веществ и материалов предусмотрен их

национальными стандартами [9,10].

Возможно ли управлять процессами образования дыма, создавая для этого

вещества и материалы с намеренно повышенной или пониженной дымооб-

разующей способностью?

Изучение факторов дымообразования и классификация по этим факторам

применяемых в отечественной строительной отрасли отделочных материалов,

методология исследования составляющих дыма и их дисперсности, состава

газовой фазы дыма - вот круг поставленных перед автором задач, решение

которых позволит ответить на поставленный вопрос.

1. О ПРОБЛЕМЕ СНИЖЕНИЯ ДЫМООБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОТДЕЛКИ ПОМЕЩЕНИЙ

Под пожаром понимается неконтролируемое горение внутри или вне

специального очага, приводящее, в итоге, к различной степени ущерба [11]. При

пожаре в помещении, основная пожарная нагрузка приходится на строительные

отделочные материалы, потенциально обладающие способностью гореть и

образовывать дым, выделяя при этом токсичные продукты горения. Поэтому,

пожар в помещении представляет собой весьма сложный физико-химический

процесс, включающий помимо горения, явления массо - и теплообмена,

развивающиеся во времени и пространстве. Эти явления взаимосвязаны, и

определяются целым рядом условий, проявление многих из которых носит

случайный характер.

Пожар сопровождается изменением состава и параметров газовой среды,

которая составляет часть наружной атмосферы и, как объект исследования,

является открытой термодинамической системой. На современном этапе

изучения этой системы основное внимание уделяется исследованию скорости

химических превращений [12]. Это связано с тем, что для процесса горения

характерны сложные зависимости скорости химических реакций от температуры,

а в основе теории горения лежит понятие пламени, распространяющегося с

постоянной скоростью, не зависящей от условий поджигания и определяемой

свойствами и состоянием сгораемого вещества. Особенность теории горения

заключается в скачкообразности получаемых решений, их критичности и малом

изменении параметров.

Процесс горения представляет собой быстро протекающее химическое

превращение, входящих в состав материалов веществ, сопровождающееся

выделением значительного количества тепла и свечением раскаленных продуктов

термического разложения. В большинстве случаев значительная часть продуктов

горения имеет газообразное состояние, и их интенсивное окисление проявляется

в виде пламенного горения. Граница встречных потоков газообразных продуктов

термического разложения и окислителя (кислорода воздуха) образует фронт

горения, или фронт пламени, имеющий максимальную температуру.

Специфика процесса горения заключается в том, что он относится к разряду

цепных реакций, и по аналогии с твердым топливом, горение материалов можно

условно разделить на следующие стадии:

- взаимодействие источника горения с материалом, которое выражается в

нагревании последнего;

- деструкция материала вследствие первичных термохимических процессов,

образование аэрозольных смесей из газообразных продуктов горения и твердых

частиц исходного материала;

- достижение в газовой среде значений температуры и концентрации

сгораемых продуктов разложения исходных веществ, соответствующих

воспламенению;

- процесс устойчивого горения, когда скорость образования горючих

продуктов термического разложения не ниже скорости их окисления во фронте

горения;

-догорание, когда скорость образования горючих продуктов ниже скорости

окисления, температура процесса горения при этом снижается.

Для развития процесса горения необходимо сочетание теплового потока,

потока окислителя и сгораемого вещества. При установившимся процессе

горения источником тепловой энергии служит сама реакция горения. Часть

теплового эффекта расходуется на поддержание процесса термического

разложения горящего материала, часть - на активизацию еще не горящих, но

способных к горению материалов, часть - на нагрев окружающей среды.

Каждый пожар представляет собой единственную в своем роде ситуацию,

включающую ряд событий, реализация которых носит вероятностный характер.

Поэтому невозможно предусмотреть в деталях развитие всех пожаров. Тем не

менее, они обладают общими чертами, на анализе и обобщении которых

строится модель так называемого стандартного пожара и стандартная

температурно-временная зависимость его развития.

Объектом исследования пожара обычно является замкнутый объем

помещения, характеризуется некоторыми геометрическими размерами и

ограничивается ограждающими конструкциями, а также наличием сгораемых

материалов и проемов, через которые может происходить газообмен помещения

с окружающей средой (окна, двери, вентиляционные каналы). Для

возникновения пожара, помимо сгораемого материала и кислорода воздуха,

необходим первоначальный источник тепла - источник зажигания. Большинство

пожаров происходит в результате воздействия малокалорийных источников

зажигания. Если имеет место источник низкой интенсивности, то может

произойти лишь частичное повреждение материала и последующее его

самозатухание, то есть для инициирования горения различных материалов

требуются источники зажигания разной мощности.

Как известно [13] основными факторами пожара, воздействующими на

людей, а так же на строительные конструкции и другие материальные ценности,

являются:

- открытое пламя и искры;

- повышенная температура окружающей среды;

- токсичность продуктов горения;

- пониженная концентрация кислорода;

- дым.

Несомненно, что изучение одного только дыма, являющегося опасным

фактором горения строительных отделочных материалов, невозможно без учета

влияния других опасных факторов.

Контроль за дымообразующей способностью веществ и материалов,

используемых в строительстве и в быту, является одной из важнейших задач в

области обеспечения пожарной безопасности и, как отмечалось выше,

предусмотрен национальными стандартами ряда экономичнески развитых стран.

Согласно пожарно-технической классификации строительных материалов,

конструкций, помещений зданий, элементов и частей зданий, одной из основных

характеристик пожарной опасности веществ и материалов, применяемых в

строительстве, является их дымообразующая способность, определяемая по

ГОСТ 12.1.044-89 “Система стандартов безопасности труда.

Пожаровзрывобезопасность веществ определения и материалов. Номенклатура

показателей и методы их определения”, п.4.18. [14].

В строительных нормах различных стран дымообразующей способности

материалов, применяемых при строительстве зданий и сооружений с массовым

пребыванием людей, также уделяется достаточно много внимания. Так, согласно

действующему в Канаде “Национальному кодексу строительства” [10] к числу

мер безопасности в случае пожара в высотных зданиях относится ограничение

показателя дымообразования материалов, используемых «для внутренней

отделки в некоторых зонах». То есть в этом кодексе одним из основных опасных

факторов пожара считается дымообразующая способность материалов.

В таблице 3.2.6.А этого кодекса [10] приведены допустимые в Канаде

значения дымообразующей способности материалов, применяемых для

«внутренних отделочных работ покрытий стен, перегородок», подвесных

потолков, полов в комнатах или других пространствах, включая в себя

«технические пространства и кабины лифта», а в таблицах 3.1.А и 3.1.В [10]

приведены значения «показателей выделения дыма для материалов для

внутренней отделки стен и потолков, как покрытых огнезащитным слоем, так и

без него» и значения «показателей выделения дыма для покрытий пола, как

покрытых огнезащитным слоем, так и без него». Следовательно в Национальном

строительном кодексе Канады указаны конкретные значения показателя

дымообразования для каждого типа строительных отделочных материалов в

зависимости от их применения при отделке различных элементов помещений.

Таким образом в одной из развитых стран мира, контроль за дымообразующей

способностью не только предусмотрен, но является одним из приоритетных

направлений в области пожарной безопасности.

В действующем в Российской Федерации СНиП 21-01-97 "Пожарная

безопасность зданий и сооружений" [9], дымообразующая способность,

определяемая по пункту 4.18. ГОСТ 12.1.044-89, является одним из основных

параметров пожарной опасности применяемых в строительстве материалов.

Как известно, дым представляет собой аэрозоль, состоящий из

мелкодисперсных частиц, образующихся жидкими, газообразными и твердыми

продуктами в результате неполного сгорания материала. Дым образуется как при

беспламенном, так и при пламенном горении [11]. Характер частиц дыма и

формы их образования весьма различны. При тлении дым аналогичен продукту,

который получается при нагревании любого углеродсодержащего материала до

температур, при которых происходит химическое разложение и эволюция

летучих продуктов горения. При этом фракции с большой молекулярной массой

конденсируются по мере их перемешивания с холодным воздухом, что приводит

к образованию тумана, состоящего из мельчайших капель смолы и

высококипящих жидкостей. Эти капли стремятся в условиях спокойного воздуха

слипаться, образуя мелкие частицы со средним диаметром порядка одного

микрона, и осаждаются на поверхностях, образуя маслянистый осадок [15].

При пламенном сгорании строительных отделочных материалов дым

состоит почти целиком из твердых частиц. Небольшая часть этих частиц может

быть образована при термическом разложении строительных отделочных

материалов в условиях воздействия на них мощного теплового потока. Основная

же часть частиц дыма образуется в газовой фазе в результате неполного

сгорания и высокотемпературных реакций пиролиза при низких концентрациях

кислорода. Следует отметить, что дым, состоящий из твердых частиц, может

образоваться даже тогда, когда исходным горючим материалом является газ или

жидкость. Дымы обоих типов при этом являются возгораемыми, и могут

образовать воспламеняемую атмосферу; при поджигании газовой фазы может

произойти взрыв.

В условиях полного сгорания горючий материал превращается в устойчивые

газообразные вещества, но это достигается только при диффузионном

пламенном горении, которое на пожаре реализуется крайне редко. При типичном

пожаре перемешивание газов происходит за счет турбулентных восходящих

потоков, в которых наблюдаются значительные перепады концентраций. В

областях с низкой концентрацией кислорода часть летучих продуктов может

участвовать в ряде реакций пиролиза, в результате которых образуется ряд таких

высокомолекулярных соединений, как циклические ароматические

углеводородные соединения и полиацетилены, которые являются очагом

образования сажи внутри самого пламени. Именно это явление придает

диффузионному пламени желтоватое свечение. Эти мельчайшие частицы (10-

100 нм в диаметре) могут подвергаться окислению внутри пламени, но при

недостаточно высоких температурах и концентрации кислорода они стремятся

увеличиться в объеме, образуя при этом крупные частицы, которые и покидают

области высокой температуры пламени в виде дыма. Важнейшую роль в этом

процессе по Драздейлу (D. Drazdeil, 1989) [16], играет химический состав

материала, являющегося основой дымообразования. Небольшое же число чистых

веществ горят несветящимся пламенем, не образуя дыма: Другие горючие

вещества при идентичных условиях образуют значительные выходы частиц

дыма.

За небольшими исключениями дым образуется при всех пожарах и его

образование зависит от многих факторов, к которым относятся: количество и вид

строительных отделочных материалов, подвергшихся термическому

разложению, их дымообразующая способность, условия протекания пожара

(температурный режим, тип помещения и связанный с этим воздухообмен,

недостаток кислорода и т.д.). На количество дыма, находящегося в помещении,

влияют следующие факторы: условия распространения газообразных продуктов

горения, вторичное дожигание дыма огнем пожара, условия накопления и

разбавления дыма, связанные с воздухообменом при пожаре, а также расслоение

и смешивание его при свободной конвекции или принудительной вентиляции [1].

Вдыхание дыма при пожаре – главная причина смерти у 60-80% жертв; до

одной трети людей, получивших в результате пожара сильные ожоги, страдает

также от поражения дыхательных путей, а риск одновременного повреждения

легких напрямую связан с площадью поверхности ожогов [17-19].

Ингаляционное повреждение значительно усиливает частоту дыхательной

недостаточности и острого дыхательного дистресс-синдрома. Смертность после

этого поражения колеблется от 45 до 78 % . Установлено, что при сочетании

ингаляционного повреждения и кожных ожогов смертность возрастает на 20%

по сравнению только с кожными ожогами [20].

Вдыхание дыма следует подозревать у каждого, кто находился в

ограниченном пространстве или потерял сознание во время пожара, особенно

при сильном задымлении. Поражение может быть ограничено верхними

дыхательными путями или распространяться вглубь организма путем

повреждения тканей трахеи, бронхов и альвеол. [21]

Согласно данным Р. Орсела (R. Orsel, 1993) [18], дым представляет собой

смесь продуктов горения - газообразных паров и твердых частиц, в зависимости

от того, какой материал горит, какова температура и скорость горения, каковы

доступ кислорода и вентиляция.

А. Махитовой и др. [22] и В. Добрых и др. [23] установлено, что дым лесных

пожаров состоит на 25% из сажи, на 20% из золы, капель смолы, подавляющее

большинство которых характеризуется диаметром менее 0,1 мк, газообразных

веществ, основу которых составляют оксиды углерода, серы, азота.

По Р. Клейну (R. Klein, 1996) [4] все компоненты дыма способны

повреждать слизистую оболочку дыхательных путей. Скорость горения и

количество дыма, образующегося с единицы площади поверхности, зависит как

от вида материала, так и от условий пожара. Твердые частицы дыма адсорбируют

на своей развитой поверхности токсичные вещества и, попадая в организм

человека, становятся причиной сильных отравлений даже в том случае, когда

анализ газообразных продуктов горения не показывает опасных концентраций

токсичных веществ.

Дым уменьшает видимость, тем самым он может задержать эвакуацию

людей, находящихся в помещении, что может привести к воздействию на них

продуктов горения в течение длительного периода времени. При этих

обстоятельствах люди могут быть поражены вредными составляющими дыма,

находясь даже в местах, удаленных от очага пожара. Влияние пониженного

содержания кислорода и вдыхаемых горячих газов становится весьма

значительными лишь вблизи пожара. Следствием задымления является также

ухудшение видимости, приводящее к потере ориентировки, и панике, которые

осложняют эвакуацию людей на пожаре. Принято, что в целом потеря видимости

в дыму непосредственной угрозы для здоровья человека не несет, но усиливает

значение других опасных факторов, так как увеличивает время нахождения

человека в условиях пожара. [24]

По имеющимся данным [25-27], воздействие древесного дыма на

респираторную систему человека имеет комплексный характер. Это воздействие

изучено в основном при острых поражениях, и механизм воздействия до сих пор

не изучен.

Обычно дым, состоящий из микрочастиц, рассматривается отдельно от

газообразных продуктов сгорания, хотя методически поступать таким образом не

корректно, так как образующиеся газообразные продукты весьма чувствительны

к относительно слабым изменениям отдельных параметров пожара. Поэтому,

неправомерно предполагать, что горючие материалы можно классифицировать

по их токсическому потенциалу, измеренному в только отдельном

экспериментальном пожаре.

Анализ отечественных и зарубежных результатов испытаний веществ и

материалов на дымообразующую способность свидетельствуют о том, что

появившийся за последнее время ряд современных строительных отделочных

материалов представляет потенциальную опасность для здоровья человека, в том

числе и по своей дымообразующей способности [28-30].

Большое значение имеет выявление предельно допустимого значения

видимости в дыму, то есть такой величины, до достижения которой еще

возможна эвакуация людей при пожаре. Определив пределы видимости в дыму,

можно установить требования к конструктивному решению зданий, а также

составу и количеству применяемых строительных материалов. Именно с этой

позиции в настоящее время проводятся исследования, и на их основе базируется

и уточняется классификация применяемых в строительстве материалов по их

дымообразующей способности. Не менее важной проблемой является связь

дымообразующей способности отделочных материалов с токсичностью

продуктов их термодеструкции [31].

Таким образом, прежде всего следует отметить сложность и вариабельность

механизмов дымообразования. Не случайно поэтому в многих экономически

развитых странах мира ведется активный поиск путей как нормативного

ограничения применения строительных отделочных материалов с повышенной

дымообразующей способностью, так и разработки материалов с пониженными

характеристиками данного параметра пожарной опасности, с целью снижения

воздействия этого опасного фактора пожара на жизнь и здоровье человека.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ

ДЫМООБРАЗОВАНИЯ

Многообразие используемых строительных отделочных материалов требует

разработки классификации их по дымообразующей способности, учитывающей

многофакторность воздействия дыма на людей, тем более, что в составе многих

строительных отделочных материалов содержатся такие высокотоксичные

вещества, как соединения хлора, цинка, фосфора, формалин, аммиак,

диоктилфталат и др [32].

За период 1998-2000гг нами исследовалось дымообразование для целого

ряда видов отечественных и импортных строительных отделочных материалов,

применяющихся для отделки элементов помещений: потолков, стен, полов,

оконных и дверных проемов. Всего было исследовано более 130 материалов,

применяемых в промышленныом и гражданском строительстве.

Вследствие того, что не все строительные отделочные материалы обладают

способностью выделять дым, мы считаем целесообразным классифицировать их

на следующие виды:

1. Материалы потенциально не горючие, не обладающие дымообразующей

способностью и не подлежащие определению коэффициента их

дымообразования: - природные каменные материалы и материалы на основе

естественного камня, рыхлые материалы (песок, гипсовое вяжущее, известь),

металлы, материалы на основе неорганических вяжущих, которые не содержат

горючих заполнителей, стекло, искусственные каменные материалы.

2. Материалы, обладающие потенциально малой дымообразующей

способностью: - гипсокартонные материалы, асфальтовый бетон, различные

виды минераловатных утеплителей и отделочных материалов на основе

минеральной ваты.

3. Материалы с потенциально умеренной и высокой дымообразующей

способностью. К ним относятся - органические и полимерные строительные

отделочные материалы, ковровые покрытия и изделия, древесные материалы,

лаки, краски, обои.

Как уже отмечалось, одним из опасных факторов дыма на пожаре является

уменьшение видимости. Данный фактор характеризует такой показатель как

коэффициент дымообразования D

(м

/кг), определяемый по п.4.18.

ГОСТ 12.1.044-89 на специальной установке.

По этому показателю, согласно п.4.3.5. СНБ 2.02.01-98*, [14] горючие

строительные отделочные материалы подразделяются на 3 группы:

-Д1- материалы с малой дымообразующей способностью;

-Д2- материалы с умеренной дымообразующей способностью;

-Д3- материалы с высокой дымообразующей способностью.

Для материалов с малой дымообразующей способностью коэффициент

дымообразования не должен превышать 50 м

/кг. Материалы с умеренной

дымообразующей способностью должны обладать коэффициентом