С Е Селиванов, Д Д Сарахманов - Процессы горения полимерных материалов - страница 1

Страницы:
1 

Рассмотренные в статье методы исследования и объектно-ориентированная модель являются необходимым инструментарием разработки эффективной информационной системы управления го­родской инженерной сетью. Они реализуют первые четыре этапа предложенной методики проектирования. Последующие этапы здесь не рассматриваются, так как они могут сильно варьироваться в кон­кретных условиях вследствие их сильной зависимости от выбранной программной и аппаратной платформы, а также от вида инженерной сети технической оснащенности предприятия.

Получено 21.01.2003

 

УДК 536.4

С.Е.СЕЛИВАНОВ, д-р техн. наук, Д. Д. САРАХМАНОВ

Национальный автомобильно-дорожный университет, г.Харьков

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассматривается горение полимерных материалов как явление, состоящее из ряда последовательно переходящих один в другой процессов, каждый из которых к тому же взаимосвязан с другими и является многостадийным.

Понятие "горение" является довольно обширным, включает в себя совокупность сложных физических и химических процессов. Сам тер­мин " горение" не однозначен, ему дано несколько отличающих одно от другого определений. Одно из них сформулировано А.Н.Баратовым [1]: "Горение представляет собой сложный физико-химический про­цесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света". Эта формулировка, как и другие, не дает четкой трактовки горения, поскольку не раскры­вает, что из себя представляет сложный физико-химический процесс и т.д. Поэтому некоторые специалисты считают, что термину "горение" трудно дать всеобъемлющее определение.

В таблице приведены процессы и стадии, протекающие при горе­нии веществ и материалов.

Основные научные положения развитой теории горения прием­лемы к горению полимерных материалов. Горение полимерных мате­риалов представляется как процесс, имеющий тепловую природу, по­скольку причиной его возникновения и развития является в основ­ном тепловыделение, поэтому при исследовании горения полимерных материалов рассматриваются физика и химия горения. Физика горения сводится к рассмотрению процессов тепло- и массообмена в реаги­рующей системе. Химия горения заключается в протекании окисли­


тельно-восстановительных реакций, состоящих обычно из целого ряда элементарных актов.

На практике возможны самые разнообразные условия возникно­вения процесса горения полимерных материалов. Такими условиями могут быть самоускоряющаяся химическая реакция, протекающая во всем объеме материала, которая приводит к самовоспламенению мате­риала, или самоускоряющаяся химическая реакция, происходящая не во всем объеме материала, а лишь на участке (например, в поверхно­стном слое) локального подвода тепла, которая приводит к воспламе­нению этой части объема, после чего остальной объем материала вос­пламеняется без внешнего вмешательства.

Горение полимерных материалов возможно в результате экзотер­мической самоускоряющейся реакции окисления, протекающей в кон­денсированной фазе (конденсированная система - это система, со­стоящая только из твердых или жидких фаз, а также их смесей, не со­держит газообразных частей), самоускоряющейся экзотермической реакции, которая протекает на поверхности раздела между твердым материалом и газообразным окислителем (т.е. гетерогенной реакции на поверхности) или экзотермической реакции газообразных продуктовразложения полимеров с газообразным окислителем (т. е. в газовой

фазе).

В эксперименте это можно представить следующим образом. Пусть поверхностный слой полимерного материала под действием тепла нагревается до температуры, при которой начинаются физиче­ские и химические превращения в конденсированной фазе. Критерием самовоспламенения является условие нарушения стационарного рас­пределения температуры в материале. Для описания процесса само­воспламенения и воспламенения материала в конденсированной фазе используется аппарат классической тепловой теории [2].

Дальнейший подвод тепла приводит к термическому и термо­окислительному разложению и газификации полимерного материала. Образовавшиеся горючие газообразные продукты разложения мате­риала поступают (диффундируют) в газовую фазу, где смешиваются с окружающим газообразным окислителем и реагируют с ним. Самоус­коряющаяся экзотермическая реакция, приводящая к возникновению пламени, таким образом, осуществляется в газовой фазе. Газофазную область, в которой происходят реакции превращения горючих летучих веществ в продукты сгорания, называют пламенем. Она обычно харак­теризуется видимым излучением. Пламя полимерных материалов рас­сматривают как диффузионное, по признаку смещения горючего и окислителя в реакционной зоне. В отличие от горения конденсирован­ных систем, где часть физико-химических превращений (нагревание, плавление, испарение, начальное разложение и взаимодействие реа­гентов) может происходить вне пламени непосредственно в исходном образце и на его поверхности, горение газофазных систем всегда со­провождается пламенем. Газофазная теория основана на рассмотрении одномерных моделей воспламенения полубесконечной пластины го­рючего вещества в газообразном окислителе. Модели математического описания газофазного воспламенения предполагают, что тепло в газо­вой фазе выделяется за счет экзотермической реакции второго поряд­ка. Газификация полимерного материала осуществляется в результате одноступенчатой эндотермической реакции нулевого порядка. Усло­вия на поверхности газифицирующего горючего зависят от источника воспламенения (нагретый газ, лучистый поток). В моделях газофазного воспламенения полимерных материалов принимается, что воспламе­нение происходит при достижении температуры поверхности критиче­ской величины, при которой возможна интенсивная газификация по­лимера, или реализуется достаточно большая скорость роста темпера­туры. Известно, что полимерный материал воспламеняется при дости­жении критической скорости выделения горючих газов пиролиза. Раз­витие самоускоряющейся реакции воспламенения сопровождает изме­нение знака градиента температуры в газовой фазе вблизи поверхно­сти. Момент воспламенения отвечает условию равенства тепловыде­ления за счет экзотермической газофазной реакции местным тепло­вым потерям.

Воспламенение полимерных материалов в среде газофазного окислителя, например, воздуха, чаще всего рассматривают с позиции теорий воспламенения в газовой фазе. В аналитической модели учиты­вают диффузию горючего от поверхности и диффузию окислителя к поверхности. Однако возможны условия, при которых воспламенение полимерных материалов происходит вследствие протекания чисто ге­терогенной реакции взаимодействия кислорода или другого окислите­ля с поверхностным слоем. Андерсоном и др. [3] рассмотрены два типа гетерогенного воспламенения:

1) внешний нагрев отсутствует, экзотермическая реакция на по­верхности начинается спонтанно при комнатной температуре сразу после контакта окислителя с поверхностью твердого тела;

2) гетерогенная реакция газообразного окислителя и твердого го­рючего протекает под влиянием внешнего нагрева.

В начальном состоянии система рассматривается как инертная. К первому типу гетерогенного воспламенения относят воспламенение полимерных материалов (веществ) в среде чрезвычайно активных га­зообразных окислителей при равных начальных температурах горюче­го и окислителя. Ко второму типу относят воспламенение высокомо­лекулярных соединений в среде менее активных газообразных окисли­телей. Процесс осуществляется в условиях, при которых исключено протекание экзотермической самоускоряющейся реакции между газо­образными продуктами разложения горючего и газообразным окисли­телем.

Гетерогенный механизм воспламенения полимеров реализуется и в том случае, когда воспламенение в газовой фазе подавлено (что воз­можно удалением газообразных продуктов, способных воспламенить­ся в газовой фазе, из зоны с увеличением скорости потока окислителя), а массовая концентрация продуктов пиролиза в диффузионном слое над поверхностью полимерного образца значительно ниже концентра­ционных пределов воспламенения бедных смесей углеводородных соединений. Возникновение горения вследствие гетерогенной реакции на поверхности вещества в целом определяется кинетикой этой реак­ции, условиями тепло- и массообмена горючего и окислителя на по­верхности. Математическое описание этого нестационарного процесса включает систему нелинейных дифференциальных уравнений, состав­ленных с учетом диффузии газообразного окислителя и продуктов разложения вещества, могущих служить окислителем. Д. А. Франк-Каменецкий [2], анализируя тепловой режим поверхности при проте­кании гетерогенной реакции, показал, что гетерогенное воспламенение твердого горючего неизбежно связано с переходом реакции из кинети­ческой области протекания в диффузионную. Гетерогенные реакции приобретают важное значение в случае полимеров, обладающих по­вышенной склонностью к карбонизации при горении. Таким типичным карбонизующимся является эпоксидный полимер.

Таким образом, горение полимерных материалов зависит от кине­тических параметров химических процессов, протекающих при горе­нии, а также от коэффициента диффузии горючих летучих веществ из материала в газовую фазу, в которой собственно и развивается горе­ние. Во многих исследованиях гетерогенного горения полимерных материалов указывается на существенную роль диффузии [4]. Конеч­но, в зависимости от структуры полимерного материала, характера его термического разложения, присутствия различных добавок и наполни­телей, условий воспламенения и горения будут преобладать те или иные направления процесса. Например, при горении одних полимер­ных материалов наблюдается интенсивное каплепадение (пенопласты), при горении других преобладает коксообразование (эпоксидные поли­меры), кроме того, полимерные материалы сильно различаются по ин­тенсивности саже- и дымообразования. Тем не менее, горение полиме­ров начинается эндотермической стадией деструкции с образованием остатка и горючих газов, затем происходит экзотермическое сгорание этих газов. Выделяющееся тепло частично уносится, а в основном рас­ходуется на термическую деструкцию новой порции полимера. При таком взгляде на горение полимерных материалов ясно видна связь между термическим разложением и горением, термостабильностью и горючестью.

Краткое рассмотрение основных научных положений теории го­рения полимерных материалов показывает, что многие вопросы про­цесса физики горения освещены еще недостаточно. К ним относятся (см. таблицу) процессы в предпламенной зоне - прогрев и деструкция полимерных материалов (особенно наполненных полимеров), условия газофазного воспламенения и горения газофицирующихся ПКМ, ус­тойчивость к воспламенению наполненных полимеров при ударной тепловой нагрузке, влияние поверхностной термообработки ПКМ на процесс их горения. Разработка научных подходов описания этих про­цессов позволит прогнозировать пожароопасность ПКМ, а в некото­рых случаях (при применении ПКМ пониженной горючести) прогно­зировать условия их эксплуатации, исключающие возможность воз­никновения и распространения пожара.

1.Баратов А.Н., Андрианов Р. А., Корольченко А.Я. и др. Пожарная опасность строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1988. - 381 с.

2.Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, 1967. - 491 с.

3.Anderson R., Brown R.S., Shannon L.T. AIAA J., 1964, V.2, №1, - P. 52.

4.Кодолов В.И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. - М.: Химия, 1976. - 157 с.

Получено 18.12.2002

 

УДК 628.1.147

В.А.ТКАЧЕВ, Е.Б.СОРОКИНА, кандидаты техн. наук

Харьковская государственная академия городского хозяйства

ИТОГИ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "ВОДА, ЭКОЛОГИЯ, ОБЩЕСТВО"

С 12 по 14 ноября 2002 г. в Харьковской государственной акаде­мии городского хозяйства проходила Международная научно-практи­ческая конференция "ВОДА, ЭКОЛОГИЯ, ОБЩЕСТВО".

Основные научные направления конференции:

  замкнутые и малоотходные процессы водоподготовки (в том числе создание замкнутых и малоотходных процессов водоподготовки с целью снижения влияния отходов очистных сооружений на окру­жающую среду, уменьшение расходов на материалы при водоподго-товке и энергоресурсы);

  биотехнология очистки воды;

  локальные системы очистки воды для домов и квартир;

  современные методы анализа и контроля качества воды; компьютер­ные технологии в процессах очистки воды;

  методы обучения и образования в сфере водоснабжения, водоотведе-ния, экологии, устойчивого развития; вопросы экофилософии и со­циальные проблемы; вопросы экономики, экологии и энергосбере­жения;

  проблемы надежности и устойчивого жизнеобеспечения городов.

Оргкомитет конференции возглавил ректор академии, профессор, действительный член Академии строительства Украины Л.Н.Шутенко.

Активное участие в работе конференции приняли ученые, аспиран­ты и научные сотрудники из Харькова, Киева, Мелитополя, Ровно, Одессы, Донецка, Луганска, Макеевки, а также Белгорода, Липецка (Российская Федерация), Вааса (Финляндия), университета Аберти

Страницы:
1 


Похожие статьи

С Е Селиванов, Д Д Сарахманов - Процессы горения полимерных материалов