Огнестойкость полимеров

Огнестойкость полимеров и полимерных материалов (fire-resistance, Feuerbestandigkeit, resistance au feu) —  это способность полимеров противостоять действию огня.

Характеризуя полимеры по огнестойкости, часто говорят об их горючести (возгораемости).


Классификация полимеров по огнестойкости

В СССР по огнестойкости (возгораемости) материалы было принято делить на:

  • горючие,
  • трудносгораемые ,
  • негорючие;

 за рубежом полимеры делят  на:

  • горючие,
  • трудновоспламеняемые,
  • трудносгораемые,
  • самозатухающие,
  • негорючие.

Эта классификация условна, так как огнестойкость  зависит не только от вида материала, но и от условий поджигания, характера пламени.


Методы испытания огнестойкости полимерных материалов

Методы испытания огнестойкости  полимеров настолько разнообразны, что сравнительная оценка полимеров по этому показателю на основании данных разных стран очень затруднительна. Кроме того, ошибка эксперимента, как правило, довольно высока. Нередко одни и те же полимеры на основании результатов испытания по одному из методов относят к негорючим, по другому — к самозатухающим  или даже горючим.

В СССР для оценки огнестойкости  полимеров применялось несколько методов. По одному из них (калориметрическому) определяют показатель возгораемости . По другому методу огнестойкость характеризуют кислородными индексами воспламеняемости.

Существует ряд приближенных методов оценки огнестойкости полимеров. При этом о принадлежности полимера по горючести (то есть  по способности под воздействием огня и высоких температур гореть с выделением тепла) к тому или иному типу судят по следующим показателям:

1) времени самостоятельного горения (тления) образца и потере его массы;

2) скорости распространения пламени.

 Первые показатели определяют одним из общепринятых экспресс-методов, так называемым методом «огневая труба» (образец полимера располагают в трубе вертикально). Полимеры считают горючими, если потеря массы при испытании этим методом превышает 20%,  а продолжительность самостоятельного горения составляет 60 сек.

возгораемость ПЭТФСкорость распространения пламени определяется длиной сгоревшей (за 2 мин) части образца, который располагают горизонтально и поджигают с одного конца. Из группы горючих материалов, испытываемых по этому методу, выделяют легковоспламеняющиеся материалы, у которых горение распространяется по всей длине образца, то есть на 300 мм.

За рубежом огнестойкость  полимеров, как и в СССР, оценивают по скорости горения образца, а также по времени его самостоятельного горения после нескольких последовательных поджиганий. При определении огнестойкости полимеров некоторыми методами используют образцы большого размера; так, метод  ASTM E84-61 используется для определения огнестойкости строительных материалов и конструкций.

 Для полной характеристики возгораемости полимерного материала определяют:

  • Температуру воспламенения;
  • Температуру тления;
  • Температуру самовозгорания;
  • Температуру самонагревания;
  • Способность к дымовыделению;
  • Способность к образованию раскаленного плава ;
  • Токсичность продуктов разложения.

Факторы, от которых зависит огнестойкость полимерных материалов

При горении полимеров протекает ряд  химических и физических процессов. Для удобства рассматривают три зоны горения полимеров:

  • газовый слой – в нем происходит, главным образом,  термоокислительная деструкция продуктов разрушения поверхностного слоя полимера и наблюдается интенсивный массообмен  и теплообмен;
  • поверхностный слой полимера, подверженный действию пламени;
  • внутренние слои полимера, прилегающие к поверхностному слою; здесь протекает в основном термическая деструкция полимера. От природы продуктов, образующихся при пиролизе в третьей зоне, и скорости диффузии их к поверхности зависит дальнейшее протекание процессов воспламенения и горения.

На основании результатов изучения процессов горения различных полимеров, установлены следующие закономерности огнестойкости полимеров:

  1. самогашение материала может происходить вследствие испарения с его поверхности большого количества негорючих частиц или образования на поверхности защитных полимерных пленок, не поддерживающих горения;
  2. введение фосфора в состав полимера способствует увеличению доли эндотермических процессов («охлаждению» материала) и образованию в ряде случаев прочного кокса (чем быстрее коксуется полимер, тем выше его огнестойкость), введение галогенов приводит к понижению температуры пламени в газовом слое у поверхности полимера и ингибированию воспламенения;
  3. огнестойкость  галогенсодержащих полимеров в зависимости от природы галогена уменьшается в ряду:  Вг>С1 > F;
  4.  совместное присутствие в полимерном материале атомов фосфора и галогена (особенно брома), галогена и сурьмы оказывает синергетическое действие (то есть  эффект оказывается большим, чем сумма влияний отдельных веществ;) на повышение  огнестойкости (при определенном соотношении соответствующих пар);
  5. у близких по химической природе полимеров огнестойкость повышается с увеличением термостойкости;
  6. огнестойкость определяется химической структурой полимера: например, при введении ароматических  звеньев, замене группировок Р—О— С на Р—С, при уменьшении длины алкильной цепи у атома фосфора огнестойкость  полимера возрастает;
  7. с повышением плотности упаковки макромолекул огнестойкость  у близких по химической природе полимеров возрастает.

К огнестойким или негорючим относятся следующие группы полимеров:

  • неорганические и некоторые элементоорганические;
  • органические, содержащие в макромолекуле ароматические или гетероциклические группировки;
  • полностью фторированные, галогенфторированные или сполна галогенированные.

Огнестойкие полимеры:

  • самозатухают при вынесении их из пламени (самозатухающие)
  • или вообще не горят (негорючие).

При воздействии пламени на некоторые элементоорганические или неорганические полимеры горючие газы образуются в незначительном количестве или не образуются совсем. Такие полимеры характеризуются также повышенной термостойкостью. Например, полиметаллоорганосилокеаны (металл — Аl  или Ti), в макромолекулах которых в боковых ответвлениях содержатся диалкилфосфинатные группировки, выдерживают температуру до 800 °С. Однако такие полимеры могут накаливаться (непламенное горение) и в ряде случаев в результате разбрызгивания расплава с поверхности стать источником горения. Полимеры, в структуре которых имеются конденсированные ароматические или гетероциклические кольца, быстро коксуются, что обеспечивает им пониженную горючесть или полную негорючесть.

Особое место в этом ряду занимают графитизирующиеся и карбонизованные полимеры. И, наконец, горение ряда полимеров сопровождается большим эндотермическим эффектом, связанным с испарением с поверхности негорючих частиц, как, например, у некоторых сполна фторированных или галогенированных полимеров. Однако выделяющиеся при горении фторсодержащих полимеров газы часто оказываются токсичными.


Способы повышения огнестойкости полимерных материалов

Для придания или повышения огнестойкости имеется несколько способов:

1) нанесение огнезащитного покрытия на поверхность изделия;

2) введение наполнителей, имеющих пониженную горючесть, в композицию на основе полимера;

3) введение огнезащитных добавок антипиреновинертных (не вступающих в химическую реакцию с полимером) и химически активных (химическая  модификация).

Первые два способа малоэффективны. При горении огнезащитные покрытия (например, на основе жидкого стекла) могут накаливаться и отслаиваться от основного материала. Наполнитель (асбест, каолин, цемент и др.) в ряде случаев может выполнять роль своеобразного фитиля и способствовать распространению пламени. Более эффективен третий способ.


 

Список литературы:
Пожарная опасность веществ и материалов, Справочник, [ч. 1—21, М., 1966—70; Н ind ers inn R. R., Wagner G., Fire retaraancy, в кн.: Encyclopedia of polymer science and technology, v. 7, N. Y.—L. [a. o.],1967;
КодоловВ.И., СапоговаЛ.А., СпасскийС.С, Пласт, массы, № 10,
40 A969); Nametz R. С, Ind. and Eng. Chem., 59, № 5,
99 A967); Einhorn I. N., J. Macromol. Sci., D 1, № 2,
113 A971); V о g e 1 H., Flammfestmachen von Kunststoffen,
Heidelberg, 1966. В. И. Кодолов, Я. С. Никитина.

Автор:
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией Каргина В.А
Дата в источнике: 1972 год
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter