-
Пройти Антиплагиат ©



Главная » Обеспечение безопасности зданий и сооружений » Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве



Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве

Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная. Уникализировать текст 



 
Асеева Р.М., Сахаров А.М., Сахаров П.А.
Институт биохимической физики РАН
Ильин А.В., Серков Б.Б., Сивенков А.Б.,
Академия Государственной противопожарной службы, МЧС РФ

 
Обеспечение экологической и пожарной безопасности в различных областях техники и быта является исключительно важной и актуальной проблемой для всего мирового сообщества. Существуют разные подходы к частным решениям этой сложной проблемы.
В Институте биохимической физики РАН разработан оригинальный, не имеющий аналогов в мировой практике метод каталитического окисления растительного сырья молекулярным кислородом в водной щелочной среде [1].
Отличительной особенностью разработанного метода является то, что в мягких условиях окисления не наблюдается разрушения основных цепей макромолекул, осуществляется лишь селективная модификация звеньев или фрагментов макромолекул и, таким образом, сохраняется высокомолекулярный характер природных полимеров - основы растительного сырья [2].
Этот метод привлекателен тем, что он одновременно решает проблему утилизации некондиционной продукции сельского хозяйства, а также отходов пищевой и лесной промышленности и позволяет получать большую гамму недорогих, экологически безопасных водорастворимых реагентов разного целевого назначения. Процесс их получения является одностадийным. Технология производства является практически безотходной и энергосберегающей, так как не требует применения высоких температур и повышенного давления.
Нами было установлено, что полученные подобным методом из растительного сырья экологически чистые реагенты - окисленные полисахариды, обнаруживают свойства своеобразных высокомолекулярных замедлителей горения (антипиренов) так называемого интумесцентного (от слова “intumescent” – разбухающий) типа. Они способны выполнять одновременно несколько функций, присущих широко известным наиболее эффективным фосфор-, азот- и/или галогенсодержащим многокомпонентным интумесцентным системам антипиренов. В частности, они играют одновременно роль связующего, пленкообразующего и коксообразующего субстрата, газообразователя - вспенивающего агента, активатора реакций дегидратации и карбонизации полимеров.
Следует подчеркнуть, что эти необычные высокомолекулярные антипирены не содержат в своем химическом составе атомов хлора или брома, тяжелых металлов, фосфора - источников образования при пожаре высокотоксичных и коррозионно-активных продуктов горения. Последние способны вывести из строя электронное оборудование средств коммуникаций вне очага горения и, таким образом, представляют большую опасность.
Огнезащитный эффект действия окисленных полисахаридов обусловлен образованием на поверхности защищаемого материала под влиянием огня или высокой температуры вспененного коксового слоя. Вспененный кокс проявляет теплозащитные барьерные свойства, затрудняя доступ тепла и кислорода к защищаемой поверхности, а также перенос горючих летучих продуктов разложения материала в зону пламенной реакции.

Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве


Экологически чистые окисленные полисахариды, полученные из растительного сырья, представляют большой интерес для снижения пожарной опасности материалов и изделий, применяемых в строительстве.
Нами наиболее детально были исследованы окисленные полисахариды в качестве огнезащитных покрытий для древесины. В докладе представлены результаты всестороннего комплексного исследования основных показателей пожарной опасности
подобных огнезащитных покрытий (горючесть, воспламеняемость, распространение пламени по поверхности, токсичность и дымообразующая способность продуктов горения, скорость тепловыделения).
Программа исследований была направлена на то, чтобы не только показать высокую эффективность огнезащитных покрытий, но и выяснить, какие факторы ее определяют, механизм образования и теплофизические свойства вспененного карбонизованного слоя. Поэтому для сравнения были рассмотрены окисленные полисахариды, полученные из двух видов исходного растительного сырья: отходов переработки риса (сечка, рисовая мучка) и картофельного крахмала.
Реагенты с разной степенью окисления применяли в виде водных растворов (гелей) с концентрацией сухих веществ до 40 %. Состав наносили в 1-3 слоя на поверхность древесины сосны кистью, фиксируя его расход и вес покрытия после высыхания слоя до постоянного веса при комнатной температуре. Окисленные полисахариды образуют прозрачные однородные покрытия на поверхности древесины с хорошей адгезией, благодаря наличию гидрофильных групп в макромолекулах реагентов и их структурного подобия с полимерными компонентами древесины.
Оценку эффективности огнезащиты проводили по стандартному методу ГОСТ 16363-98, рекомендованному для классификации и нормирования пожарной безопасности огнезащитных средств для древесины. Классификационным параметром эффективности огнезащитного действия составов является потеря массы образца при воздействии открытого пламени газовой горелки в течение 2 минут. Испытания показали, что уже при однослойном покрытии древесины сосны все исследуемые окисленные полисахариды с расходом водных составов 100 г/м2 обеспечивают огнезащиту II группы и достижение ранга трудновоспламеняемой древесины. Увеличение числа слоев покрытия до 3-4 (с расходом состава 300-400 г/м2) позволяет получить I группу огнезащиты - трудногорючую древесину.
Хотя указанный стандартный метод не дает детальной информации о важных характеристиках пожарной опасности огнезащитных покрытий, можно заметить, что на эффективность огнезащиты древесины влияет не только увеличение толщины покрытия за счет расхода состава, но и такие факторы, как степень окисления полисахаридов, источник растительного сырья. Лучший результат показывают составы с высокой степенью окисления полисахаридов, полученные на основе картофельного крахмала. Этот результат можно объяснить тем, что с увеличением степени окисления последнего от 0,3 до 0,5 возрастает коэффициент вспенивания коксового слоя от 17,6 до 35,0.
По эффективности огнезащитного действия разработанные окисленные полисахариды не уступают известным многокомпонентным огнезащитным покрытиям вспучивающегося типа, содержащим дорогие и дефицитные антипирены [3].
В таблице 1 приведены сравнительные данные по горючести и характеристикам воспламеняемости окисленных полисахаридов с разной степенью окисления, полученные из картофельного крахмала и рисовой сечки.
Показатели воспламеняемости (время задержки воспламенения (ВЗВ) и критическую поверхностную плотность теплового потока воспламенения (КППТП)) определяли по стандартному методу ГОСТ 30402-96.
Условия испытания по этому методу являются намного более жесткими, чем условия, реализуемые в методе ГОСТ 16363-98. Нагрев испытуемого образца происходит под действием внешнего радиационного теплового потока, плотность которого может достигать 50 кВт/м2, типичной для стадии развитого пожара.
Стандартная лабораторная установка нами была дополнительно оснащена устройством для регистрации изменения массы при выгорании образца в ходе испытания и измерения температуры на его поверхности. Это дало возможность оценить температуру воспламенения, ТВ, массовую скорость выгорания образцов, ее максимальное значение, МСВмакс, и время достижения этого значения. Полученные результаты были использованы для определения характеристик тепловыделения при горении древесины с огнезащитными покрытиями.
В таблице 1 приведены данные о воспламеняемости образцов при действии внешнего радиационного теплового потока 50 кВт/м2.
 
Таблица 1
Показатели горючести и воспламеняемости древесины с огнезащитными покрытиями на основе окисленных полисахаридов [4]
Образец Расход
состава, г/м2
Потеря массы, %
(группа
огнезащи-ты)
ВЗВ,
с.
КППТП,
кВт/м2
(группа воспламе-няемости)
ТВ,
оС
МСВмакс,
г/м2*с
Сосна - 30,0 (-) 4 12,5 (В3) 340 35,7
Сосна-окисленный
крахмал (0,5)
200
300
10,4 (II)
5,8 (I)
36
50
27,5 (В2)
29,7 (B2)
450
525
23,2
16,1
 
Cосна-
окисленный
крахмал (0,3)
300 11,3 (II) 20 23,9 (В2) 420 26,0
Сосна-окисленный
рис (0,5)
300 8,9 (I) 43 29,0 (В2) 490 19,1
             
 
Как видно из таблицы 1, огнезащитные покрытия на основе окисленных реагентов существенно увеличивают критическую плотность теплового потока воспламенения древесины и время задержки воспламенения, замедляют скорость выгорания образцов. Следует отметить, что время задержки воспламенения образцов зависит от плотности лучистого внешнего теплового потока. При тепловом потоке 30 кВт/м2, характерном обычно для стадии развития пожара, время задержки воспламенения древесины с трехслойным покрытием крахмальным реагентом высокой степени окисления достигает 12 минут. Древесина без обработки в этих условиях воспламеняется через 23 секунды. Толщина вспененного коксового слоя при действии на огнезащищенную древесину теплового потока 30-50 кВт/м2 составляет 28-31 мм.
Таким образом, результаты испытания воспламеняемости образцов подтверждают высокую огнезащитную эффективность окисленных полисахаридов. Они наглядно показывают, что огнезащита древесины при применении этих реагентов обусловлена образованием на ее поверхности коксового вспененного слоя.
Фактором, определяющим возникновение, интенсивность и динамику развития пожара, является выделение тепла при горении природных и синтетических полимерных материалов. Нами использованы различные параметры, характеризующие тепловыделение при горении исходной древесины и с огнезащитными покрытиями на основе окисленных полисахаридов: максимальная и средняя скорость тепловыделения (СТВмакс и СТВср); время достижения максимальной скорости тепловыделения (ВДмакс); общее тепловыделение за 5 минут (ОТВ) и средняя скорость нарастания скорости тепловыделения до максимальной величины (dСТВ/dВДмакс).
Для оценки этих параметров использовано фундаментальное уравнение, которое связывает скорость тепловыделения со скоростью потери массы, m”, при горении, полнотой сгорания и полной теплотой сгорания материала. При расчете полнота сгорания принята равной 0,85 для всех тестируемых образцов. Теплоту сгорания (Hc) определяли экспериментально методом кислородной калориметрической бомбы и рассчитывали по структурным групповым вкладам по методу Коновалова-Хандрика.
Опыт показывает, что все факторы, влияющие на потерю массы при горении материалов симбатно отражаются на тепловыделении.
В таблице 2 приведены данные о зависимости параметров тепловыделения при горении древесины с разработанными огнезащитными покрытиями от интенсивности внешнего радиационного теплового потока [5].
 
 
 
 
Таблица 2
Параметры тепловыделения при горении древесины
с огнезащитными покрытиями
 
Образец qe,
кВт/м2
СТВмакс,
кВт/м2
СТВср,
кВт/м2
ВДмакс,
с.
ОТВ,
мДж/м2
dCTB/
dВДмакс,
кВт/м2*с
Hc,
кДж/г
Сосна 30
40
50
 
255
392
520
161
192
330
190
140
85
47,86
51,36
76,96
 
1,53
2,99
6,42
 
19,62
Cосна+оки
сл.
крахмал (0,5)
30
40
50
61
99
155
33,8
46,6
90
780
520
280
5,52
19,6
35,42
-
0,32
0,67
 
14,25
Сосна+оки
сл.
крахмал (0,3)
30
40
50
150
200
264
77
97,7
122
460
300
180
23,65
34,46
41,26
0,76
1,0
1,83
 
14,76
Сосна+оки
сл.
рис (0,5)
30
40
50
65,8
116
188
37,3
57,3
112,6
670
410
240
8,39
18,62
38,29
0,48
0,54
0,94
 
14,48
               
 
Несмотря на принятую завышенную величину полноты сгорания, общая тенденция в характере изменения параметров тепловыделения в зависимости от степени окисления полисахаридов и интенсивности внешнего теплового потока сохраняется.
Огнезащитные покрытия оказывают значительное влияние на все параметры тепловыделения при пламенном горении древесины. При равной степени окисления (0,5) покрытия на основе окисленного крахмала по всем характеристикам тепловыделения обнаруживают более высокую эффективность огнезащиты, чем покрытия на основе окисленного риса. Например, при тепловом потоке 30 кВт/м2 высокоокисленный крахмальный реагент снижает среднюю скорость тепловыделения древесины с 161 до 33,8 кВт/м2. При этом общее тепловыделение уменьшается с 47,8 до 5,5 мДж/м2. В случае обработки древесины окисленным рисовым реагентом общее тепловыделение уменьшается до 8,39 мДж/м2.
В настоящее время в странах Европейского сообщества вводится новая система сертификации и классификации строительных материалов по степени пожарной опасности, в которой одним из основных является показатель пожарной опасности, выраженный в форме производной скорости тепловыделения по времени горения материала. Таким образом, делается акцент не просто на максимальную величину скорости тепловыделения, но и на скорость ее достижения в качестве показателя, который характеризует возможное развитие пожара.
Как видно из таблицы 2, и по этому показателю огнезащитные покрытия на основе окисленных полисахаридов эффективны, существенно замедляя нарастание скорости тепловыделения при горении древесины.
Важным критерием качества огнезащиты древесины покрытиями является их способность влиять на скорость распространения пламени по поверхности материалов.
Как было отмечено в работе [6], не всякая трудногорючая древесина с огнезащитными покрытиями обеспечивает значительное снижение предела и замедление скорости распространения пламени по поверхности материала.
Древесина, как известно, характеризуется быстрым распространением пламени по поверхности. Индекс распространения пламени по незащищенной древесине сосны равен 55 (по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.19), а критический тепловой поток, при котором распространение пламени может прекратиться, составляет всего 5 кВт/м2. Установлено, что влияние огнезащитных покрытий на основе окисленных полисахаридов на индекс распространения пламени по поверхности древесины зависит от степени модификации и вида растительного сырья, а также толщины (расхода нанесения) покрытия. Полисахариды с высокой степенью окисления трансформируют древесину в ранг материалов с медленным распространением пламени даже при одно- или двухслойном покрытии. В случае трехслойного покрытия на основе крахмального реагента высокой степени окисления индекс распространения пламени по поверхности древесины снижается до 0,5, а критический тепловой поток возрастает до 27,8 кВт/м2.
Наконец, еще одним важным аспектом пожарной опасности строительных материалов является их способность к образованию дыма и токсичных продуктов горения.
Нами исследовано влияние разработанных огнезащитных покрытий на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины в наиболее опасном режиме тления [7]. При пламенном горении материалов оптическая плотность дыма обычно меньше, чем при тлении. В то же время дефицит кислорода в зоне реакции тлеющего горения приводит к увеличению выхода токсичного монооксида углерода. Для оценки дымообразующей способности и токсичности продуктов горения образцов использовали стандартные методы по ГОСТ 12.1.044-89, п.п. 4.18 и 4.20 соответственно.
Сами окисленные полисахариды даже в тлеющем режиме горения при действии радиационного теплового потока до 30 кВт/м2 включительно имеют низкие коэффициенты дымообразования и могут быть отнесены к группе материалов с малой дымообразующей способностью. Только с увеличением интенсивности внешнего теплового потока до 35 кВт/м2 наблюдается переход некоторых из них в группу материалов с умеренным дымообразованием. При этом крахмальный реагент высокой степени окисления остается в группе с малой дымообразующей способностью во всем диапазоне используемых плотностей внешнего теплового потока от 18 до 35 кВт/м2.
Древесина с огнезащитными покрытиями на основе окисленных полисахаридов относится к группе материалов с умеренной дымообразующей способностью. Однако, при нанесении покрытия удается понизить коэффициент дымообразования необработанной сосны при тепловом потоке 35 кВт/м2 с 345,1 до 150 м2/кг, т.е. в 2,3 раза. Тот факт, что уровень снижения коэффициента дымообразования не достигает значений для самих окисленных полисахаридов, говорит лишь о недостаточной толщине покрытий для более полной реализации их свойств.
При изучении влияния огнезащитных покрытий на токсичность продуктов горения древесины был использован более широкий диапазон плотностей внешнего радиационного теплового потока от 10 до 65 кВт/м2. При этом обнаружен сложный характер изменения показателя токсичности с плотностью теплового потока, как у необработанной древесины, так и огнезащищенных образцов. В целом древесина по токсичности продуктов горения относится к группе высокоопасных материалов, хотя при плотности теплового потока 23 кВт/м2 происходит ее самовоспламенение.
Окисленные полисахариды в самостоятельном виде относятся к группе умеренно опасных по токсичности продуктов горения веществам (группа Т2) практически во всем диапазоне указанных выше плотностей внешнего теплового потока, и лишь при плотности 65 кВт/м2 - к группе высокоопасных материалов (группа Т3). Покрытие на основе крахмального реагента со степенью окисления 0,5 позволяет перевести древесину из группы высокоопасных в группу умеренно опасных материалов по токсичности продуктов тлеющего горения при действии теплового потока до 18-20 кВт/м2. Однако, с последующим увеличением интенсивности теплового воздействия при этом режиме горения огнезащищенная древесина остается в группе высокоопасных материалов. По-видимому, это связано с тем, что огнезащитные покрытия в отсутствие дополнительного источника зажигания расширяют температурный диапазон тлеющего горения древесины.
Результаты проведенных комплексных исследований подтверждают высокую эффективность огнезащитного действия покрытий для древесины на основе экологически безопасных окисленных полисахаридов. Механизм огнезащитного действия этих покрытий основан на теплозащитных и барьерных свойствах вспененного коксового слоя, формирующегося на поверхности древесины.
Три главных фактора определяют огнезащитную способность вспененного коксового слоя: 1 - морфологическая структура и теплофизические свойства, 2 - толщина этого слоя; 3 - механическая прочность и химическая (термоокислительная) стабильность коксовой шапки. Полагаем, что при оптимизации этих факторов огнезащитный эффект покрытий на основе окисленных полисахаридов может быть значительно улучшен.
В заключение следует сказать, что в настоящее время технология промышленного производства экологически чистых реагентов из возобновляемого растительного сырья разработана. Организацией промышленного выпуска этих реагентов занимается ООО «Прогис», г. Санкт-Петербург. Производственная мощность по выпуску реагентов в данный момент составляет 50 тонн/месяц.
К перспективным направлениям пр



Лекция, реферат. Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве - понятие и виды. Классификация, сущность и особенности. 2021.

Оглавление книги открыть закрыть

Техническое регулирование условий безопасности зданий в процессе их эксплуатации
Стойкость зданий против прогрессирующего разрушения при комбинированных особых воздействиях. Общий подход и метод оценки
Программная система для анализа опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в городском окружении на основе технологии «виртуальной реальности»
Анализ опасностей и рисков при столкновении самолёта с высотным зданием
Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах
Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах - 2
Концепция обеспечения пожарной безопасности высотных многофункциональных зданий ММДЦ «Москва-сити»
Исследование причин массовой гибели людей в зданиях торгового назначения и рекомендации по их предотвращению
Применение gps для мониторинга объектов при строительстве и эксплуатации
Наземное лазерное сканирование, как новейшая система мониторинга геометрических параметров для оценки безопасности строительных объектов
Биоциды нового поколения, обеспечивающие экологическую безопасность жизнедеятельностьи в зданиях и сооружениях
Биодеструкция строительных конструкций и их защита
Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве
Конструктивные способы обеспечения пожарной безопасности жилых зданий
Нормирование применения отделочных материалов на путях эвакуации
Рациональный способ огнезащиты клеедеревянных конструкций
Декоративный огнезащитный лак для древесины




« назад Оглавление вперед »
Биодеструкция строительных конструкций и их защита « | » Конструктивные способы обеспечения пожарной безопасности жилых зданий






 

Похожие работы:

Воспользоваться поиском

 

Учебники по данной дисциплине

БЖД. Безопасность жизнедеятельности. Шпаргалка.
Основы ОБЖ
ЭКСТРЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ПОМОЩЬ ПРИ ХИМИЧЕСКИХ, БИОЛОГИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ ПОРАЖЕНИЯХ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Организация службы безопасности и защиты информации на предприятии
Основы экономической безопасности учебник