Эффективные химические методы управления горением

Эффективные химические методы управления горением

С.Д. Варфоломеев1*, С.М. Ломакин1, А.А. Миних2, П.А. Сахаров1, А.В. Хватов1

1Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва, Россия

2ООО "НТЦ Татнефть", Бугульма, Россия

 

Исследования в области горения, взрывов, детонации и создание на этой основе эффективных методов управления процессами – крайне актуальная область современной науки и технологии. Несмотря на то, что эта сфера исследований и технических разработок имеет глубокие корни и значительные достижения, проблема управления процессами горения далека от полноразмерного решения. Использование высокогорючих полимерных материалов, представляющих собой химическую модификацию нефти и природного газа, непрерывно растет во всех странах мира, и, с одной стороны, повсеместно увеличивается число неконтролируемых возгораний, взрывов, пожаров, нередко переходящих в технические и бытовые катастрофы с гигантскими материальными потерями и человеческими жертвами.

Научную базу управления горением, взрывом и детонацией составляет теория разветвленных цепных реакций, созданная нобелевским лауреатом академиком Н.Н. Семеновым.

С практической точки зрения, задача создания средств борьбы с горением, воспламенением и распространением пламени сводится к поиску химических агентов (антипиренов), трансформирующих активные частицы в малоактивные, химически «поглощающие» свободные радикалы. Другой механизм, открытый академиком Н.Н. Семеновым в ходе создания теории разветвленных цепных реакций, – механизм «гибели на стенке», определяемый взаимодействием радикалов с массивной твердой фазой реактора.

Значительные успехи в поиске антипиренов привели к тому, что в настоящее время создано и исследовано большое количество веществ, обладающих в той или иной степени характеристиками антипиренов. Критерием отбора является эффективность перехвата высокореакционноспособного радикала при минимальных концентрациях антипирена. Роль критических параметров играют также экологическая безопасность применения и стоимость реагента.

Нанокомпозитные материалы. В Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН в течение многих лет ведутся исследования по стабилизации полимеров и, в частности, по созданию термостойких полимерных композиционных материалов, устойчивых к воспламенению, горению, распространению пламени.

За последние 20 лет научные достижения в области нанохимии и технологии полимерных нанокомпозитов привели к возникновению целого класса новых полимерных материалов с нанодисперсным распределением наполнителей, таких как слоистые алюмосиликаты, слоистые двойные гидроксиды, нанодисперсные окислы и соли металлов, наноструктурные формы углерода (углеродные нанотрубки, фуллерены, слоистый нанографит). В зависимости от природы и структурных характеристик нанонаполнителей их введение в полимерную матрицу приводит к снижению горючести.

Уникальное свойство нанонаполнителей влиять на процесс горения полимерных материалов, обусловлено их способностью формировать на горящей поверхности полимерной матрицы защитный карбонизованный слой, затрудняющий процесс массопереноса в условиях горении.

Было исследовано влияние наноуглеродных наполнителей, в частности нанопластин графита/многослойного графена (НПГ), на горючесть полиолефинов (ПЭ и ПП). По результатам пиролитической хромато-масс-спектрометрии продуктов деструкции нанокомпозитов установлено воздействие НПГ на механизм пиролиза нанокомпозитов ПЭ и ПП за счет снижения скорости реакции внутримолекулярной передачи цепи. Причиной этого служит снижение сегментальной подвижности первичных полимерных макрорадикалов в присутствии нанопластин графита (физическая адсорбция на поверхности НПГ по данным дифференциальной сканирующей калориметрии). Установлено, что введение незначительных добавок НПГ (3−5 %) в полиолефины позволяет существенно понижать максимальное значение скорости тепловыделения при горении полимерных нанокомпозитов посредством твердофазных процессов в полимерной матрице (традиционный механизм образования защитного слоя).

Наряду с основной причиной, влияющей на понижение горючести нанокомпозитов за счет твердофазных реакций коксообразования и формирования эффективного защитного слоя (shielding effect) на поверхности горящего полимерного материала, коллективом ИБХФ РАН был предложен альтернативный механизм, учитывающий изменение состава газообразных продуктов пиролиза в условиях пиролиза полимеров за счет снижения скорости диффузии тяжелых углеводородных продуктов пиролиза в газовой фазе.

Полимерные нанокомпозиты на основе слоистых силикатов представляют собой гибрид органической фазы (полимер) и неорганической фазы (силикат). Нанодисперсность нанокомпозита зависит от типа используемого силиката. Применяемые для этого силикаты принадлежат к семейству слоистых алюмосиликатов, также известных как филосиликаты (слюда, тальк, монтмориллонит, вермикулит, гекторит, сапонит и т.д.). Однако наибольший практический интерес вызывают комплексные смеси антипиренов, содержащих слоистые силикаты и традиционные антипирены, такие как гидроксиды алюминия и магния, которые благодаря эффекту синергизма, проявляемого в условиях горения, существенно снижают горючесть полимеров.

На основании проведенных исследований горючести композиций ПП, содержащих Mg(OH)2 и нанонаполнитель ММТ, можно сделать вывод о том, что совместное введение традиционного антипирена Mg(OH)2 в относительно небольшой концентрации и слоистого нанонаполнителя ММТ позволяет получить трудногорючий материал на основе ПП. При этих условиях появляется возможность сохранить полезные физико-механические свойства исходного полимера.

Другой пример нанонаполнителя, снижающего горючесть полимерных материалов, − углеродные нанотрубы. Сравнительные испытания характеристик горючести нанокомпозитов ПП, содержащих 3 и 5 % масс. многостенных углеродных нанотруб (МУНТ), были проведены на кон-калориметре при воздействии внешнего теплового потока 35 кВт/м2.

Интумесцентные экологически безопасные антипирены на основе возобновляемого сырья. Как показали исследования, окисленные производные природного возобновляемого сырья, представляющие собой целлюлозосодержащие и крахмалосодержащие (полисахара) реагенты могут найти применение в качестве эффективных антипиренов для конструкционных изделий из древесины, при изготовлении различных композиционных полимерных материалов, а также при тушении пожаров. Был установлен интумесцентный механизм огнезащитного действия антипиренов на основе окисленного возобновляемого сырья.

На наш взгляд, ключевой фактор снижения горючести древесных конструкций и композиционных материалов, обработанных данными антипиренами, − интумесцентный характер поведения антипиренов, в соответствии с ним термический нагрев приводит к образованию пенококса, который в свою очередь препятствует процессу горению за счет резкого снижения тепло- и массобмена между пламенем и поверхностью горящих материалов.

Антипирены применены для строительных материалов из древесины и композиционных полимерных материалов. Новый класс антипиренов создан с целью придания огнестойкости материалов и расширения области их применения в строительстве и производстве изделий общегражданского назначения. При этом показана возможность сохранения прочностных и антипиреновых характеристик на протяжении многолетней эксплуатации на открытом воздухе. Конструкционные изделия, обработанные синтезированным антипиреном, обладают 1-й группой огнезащитной эффективности, а также высокой огнестойкостью R > 60 (ГОСТ 30247.0) при расходе антипирена около 200 – 300 г/м2. Создана опытно-промышленная установка синтеза антипирена, что позволяет использовать отходы производства деревообрабатывающих предприятий и производить подобные антипирены непосредственно на территориях древесно-стружечных комбинатов.

СМОТРЕТЬ СОДЕРЖАНИЕ СБОРНИКА

Категория: Материалы IX конференции | Добавил: epyur (12.12.2020)
Просмотров: 50 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar