Особенности создания конструкций из полимерных композитов при наличии требований по показателям их пожаробезопасности

Особенности создания конструкций из полимерных композитов
при наличии требований по показателям их пожаробезопасности

А.Н. Гаращенко1, А.А. Берлин2, А.А. Кульков1                           

1АО «ЦНИИ специального машиностроения», г. Хотьково, Московская обл.,

 2Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН наук, г. Москва

 

Анализ публикаций по определению показателей и обеспечению требуемого уровня пожаробезопасности конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) свидетельствует о явно недостаточном внимании к определению и обеспечению требуемой огнестойкости конструкций из ПКМ (например, в строительной отрасли, обладающей наибольшим потенциалом для их использования). Это в значительной степени препятствует увеличению объема использования полимерных композитов. Приходится констатировать, что испытания в огневых печах несущих конструкций из полимерных композитов, практически, не проводятся. Остается надеяться, что в этом случае ситуация будет развиваться по аналогии с конструкциями из природного полимерного композита – древесины. Для них в последнее время, наряду с многочисленными данными по показателям пожарной опасности этого материала, чаще стали появляться результаты по оценке и улучшению с помощью огнезащиты таких показателей, как пределы огнестойкости и класс пожарной опасности.

Особенности конструкций из ПКМ не позволяют практиковать в том же объеме и той же эффективностью (как, например, для металлоконструкций) испытания в огневых печах для оценки и обеспечения их огнестойкости. Это диктует необходимость все в большей степени использовать теплотехнические расчеты, а для несущих конструкций – и статические расчеты. Это характерно даже для авиастроения, где обеспечению требуемого уровня пожаробезопасности конструкций из ПКМ (в основном ограждающих и многослойных) в соответствии с международными «Авиационными правилами» уделяется значительно большее внимание, чем в других отраслях, в частности, в строительстве.

При создании новых материалов на полимерной основе и конструкций из них необходимо учитывать, что снижение горючести и повышение огнестойкости основаны на следующих принципах: 1) изменение теплового баланса пламени за счет увеличения различного рода теплопотерь; 2) снижение потока тепла от пламени на полимер за счет создания защитных слоев, например из образующегося кокса; 3) уменьшение скорости газификации полимера; 4) изменение соотношения горючих и негорючих газов в сторону негорючих. Традиционным путем реализации этих принципов при снижении горючести материалов является выбор соответствующих рецептур.

Известно, что для обеспечения требуемого уровня огнестойкости необходим выбор структуры (формы и размеров) конструкций из ПКМ и (или) выбор и определение толщин огнезащиты. Для решения этих задач, а также для оценки эффекта от реализации перечисленных выше принципов снижения горючести и повышения огнестойкости необходимо проведение расчеты по надежным методикам. По объективным показателям наиболее совершенными для расчетов конструкций из ПКМ следует признать методику и программный комплекс «Огнезащита», хорошо апробированный при проведении проектных расчетов и обеспечении заданной огнестойкости конструкций из различных материалов.

Особенно нагляден эффект от использования такой методики при определении требуемых толщин вспучивающихся огнезащитных покрытий (ОЗП), которые являются одним из видов «полимеров пониженной горючести» и традиционно рассматриваются, как наиболее желательный способ огнезащиты конструкций из ПКМ. Поскольку методика позволяет учесть основные физико-химические процессы, происходящие в ОЗП при нагреве, удается количественно оценить эффект от реализации перечисленных выше принципов снижения горючести материалов и повышение огнестойкости конструкций. В докладе представлены результаты моделирования влияния на прогрев динамики образования достаточно толстого и низкотеплопроводного слоя (пенококса), который способен в течение определенного времени значительно уменьшить тепловой поток к поверхности конструкции и обеспечить существенный теплосъем с нагретой до высоких температур поверхности за счет излучения. Оценивалось также влияние теплового эффекта термического разложения и температуры начала и окончания вспучивания. Такие результаты влияют на проектные толщины ОЗП и, кроме того, дают полезную информацию для разработчиков рецептур новых более эффективных материалов. Результаты моделирования, примеры которого представлены в докладе, наглядно продемонстрировали, что вспучивающиеся ОЗП в большинстве случаев могут являться только вспомогательным средством обеспечения заданной огнестойкости конструкций из ПКМ.  К тому же необходимо решение непростых задач по обеспечению требуемой адгезии между покрытиями и ПКМ, а также по обеспечению их эксплуатационной стойкости и долговечности при эксплуатации.

Кроме того показано, что пока недооценена целесообразность перспективность использования расчетов для выбора оптимальной формы конструкций из ПКМ. Такое конструирование композитных элементов в сочетании с выбором рациональных материалов и толщин их огнезащиты позволяет обеспечить их заданную огнестойкость.  Рассмотрен также (на примере эластомеров) вариант снижения горючести ПКМ и огнестойкости изготавливаемых их них изделий за счет вспучивания самого материала и нанесения на поверхность эластомера дополнительного слоя из совместимого с ним вспучивающегося покрытия. Результаты расчетов продемонстрировали насколько снижается глубина прогрева элементов, а также массовая скорость выделения газообразных продуктов (определяющих, в значительной степени, горючесть материала) в случае вспучивания поверхностных слоев эластомера в несколько раз, что осуществимо за счет его модификации.

Представленные в докладе результаты демонстрируют современное состояние и возможные пути обеспечения требуемых показателей пожаробезопасности ПКМ и создаваемых из них конструкций и изделий.

Категория: Материалы IX конференции | Добавил: epyur (11.12.2020)
Просмотров: 40 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar