Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение пожарной безопасности объектов народного хозяйства является неотъемлемой частью государственной деятельности по охране жизни и здоровья людей, национального богатства и окружающей природной среды.
Особо остро стоит проблема обеспечения пожарной безопасности в строительстве в связи с ежегодно возрастающим объемом применения полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые наряду с многочисленными достоинствами и зачастую уникальными свойствами, обладают существенным недостатком - пожарной опасностью. Статистика пожаров свидетельствует, что применяемые ПКМ в строительстве нередко становятся причиной гибели людей и распространения пожара по зданию или сооружению. Во многом это связано с недостатками норм строительного проектирования (СНиП 2.01.02-89), в котором при определении области применения ПКМ, в том числе на путях эвакуации, учитывается лишь группа горючестн, которая устанавливается на лабораторной установке СТ СЭВ 2437-80. Этот метод из-за отсутствия достаточной взаимосвязи с условиями пожара не позволяет исключить применение ПКМ, которые могут стать причиной пожара. Предотвратить эти явления и существенно повысить уровень пожарной безопасности объектов, где применяются ПКМ, возможно при условии, когда область применения ПКМ будет устанавливаться по результатам исследований материалов в условиях близких к условиям возникновения или развития пожара.
Таким образом, разработка современных методов и средств испытаний горючих полимерных материалов, исследования закономерностей горения ПКМ в условиях моделирования пожара и исследования по предотвращению обраэо-образовання горючей среды, а также по предотвращению образования в ней источников зажигания является актуальной
задачей, требующей неотложного решения. Такое перспективное направление на сегодняшнее время развито недостаточно.
Изложенные соображения определили выбор темы диссертационной работы и позволили сформулировать следующую рабочую гипотезу: анализ совокупности физико-химических параметров ПКМ с использованием новых, предложенных автором лабораторных методов, позволит произвести наиболее достоверную оценку пожарной опасности этих материалов, что даст возможность прогнозировать показатели воспламеняемости применяемых и вновь создаваемых ПКМ и разработать способы создания ПКМ с пониженной пожарной опасностью сохраняя их основные эксплуатационные свойства.
Цель работы. Целью настоящей работы является прогнозирование показателей воспламеняемости ПКМ, основанное на математическом моделировании и разработке лабораторных методов оценки ПКМ и их ингредиентов по воспламеняемости, разработка способов создания ПКМ пониженной пожарной опасности и внедрение их в строительную практику.
При этом в диссертации решаются такие основные задачи:
разработка экспериментальных методов определения показателей воспламеняемости ПКМ, ингредиентов ПКМ, создание комплексной лабораторной установки, оценка на воспламеняемость ПКМ,
исследование кинетических закономерностей реакций пиролиза и деструкции ПКМ н их компонентов;
разработка математических моделей процессов, протекающих при (само)воспламенении ПКМ и их компонентов;
разработка устройства для исследования механических свойств ПКМ при тепловом воздействии;
разработка комбинированных способов снижения пожарной опасности ПКМ и исследование их деформативных и прочностных характеристик при тепловом воздействии;
разработка методов управления пожароопасными сво-
Яствами ПКМ, технологических схем получения ПКМ с пониженной горючестью.
Методы исследования. В основу работы положен метод математической индукции и эвристики. Теоретические исследования проводились на базе использования классических законов тепломассообмена. Экспериментальные исследования проводились на разработанной комплексной установке н стандартных установках. Термогравиметрический анализ, математическая обработка результатов экспериментов, решение полученных теоретических выражений осуществлялись с использованием ЭВМ. С целью поиска новых технических решений проводились патентные исследования по шести промышленно-развитым странам.
Методологическая и структурно - логическая схема исследования, отражающая цель, задачи, методы и полученные результаты, приведены на рисунке 1.
Информационной основой исследований явились: отечественные,' зарубежные литературные, методические материалы, патенты и авторские свидетельства на изобретения, результаты научно - исследовательских работ различных вузов и НИИ химико-физического, строительного и противопожарного профиля.
В качестве базы исследований использованы специально созданные НИЛ в ХИСИ (ХГТУСА), в УкрНИИПБ МВД Украины, часть исследований проводилась в ВНИИПО МВД СССР, ИХФ АН СССР, ОГУ.
Научная новизна диссертационной работы определяется впервые полученными результатами:
- разработаны научно обоснованные методы оценки воспламеняемости, прогнозирования пожарной опасности ПКМ, твердых и жидких полимерных композиций и высокодисперсных металлических ингредиентов в потоке нагретого воздуха и лучистой энергии излучения; для их реализации создана комплексная экспериментальная установка многофункционального назначения, техническая новизна которой подтверждена
Разработать лабораторные методь оценки и прогнозирования показа телей воспламеняемости ПКМ
—т
Разработать способы создания ПКМ пониженной пожарной опасности и внедрить их в строительную практику
ПКМі
|5АД*АЧЦ
__=_=
Проанализировать меха' низмы отдельных фаз и сталий процесса горения ПКМ
Исследовать кинетичесюк заюэнонерности реакций тиролиза и деструкции 1КМ и их компонентов
Провести сравнительную оценку существующих и перспективных путей сни жлгомпмючестиПКМ
Разработать устройства |для исследования меха-Ьических свойств ПКМ при тепловом воэдейст-
ІВИИ
ркспериментольно опреде-
рпь период индукции (са-
|ю)воспламенения, темпера'
уры (сано)воспламенения Мгии излучения от темпера
ртеклопластиков, отверждеЛ'
ных эпоксидных конпози- I
рий, металлических ингре-1
риентов и сопоставить с тес)
ШЙ_—______
[тмрдьп
Провести комплексную оце-1
I кку воспламеняемости и го|
Ірючести ПКМ и их комгю-1
Інентов в потоке нагретого I
Івоздуха I
аоораторйне"
і1аоора.торньІе установки U пловы оценки пожарной эпасности ПКМ
Разработать кжтшат
ярогтпеакшаа ври (*шю)-ПКМиш
гуры и размеров
Установить зависимости для периода индукции (сано)воспланенения полимерных материалов и металлических ингредиентов в потоке нагретого юздуха и лучистой энер'
ШІШІШґ
методы управления свій-ствами ПКМ с цепью сни ения их пожарной опас-чости
Исследовать мехвничес-1 |кие свойства ПКМ при I повышенных температу-|
рермодинамических флу|
Іктуаций на процесс эф-1
I фективкости нодифика-І
ІцииПКМ І
ІехнологиЧеские схемы ХЯД1НИІ ПКМ понижен -ной пожаркой опасност і
/совершенство
ваннацванная машинная на-
JffiDESL
ниедиф фузии окислителя
чие(са' ыо)аос пламе-нения
Ъздавл Замедлс- Сниже-
кие горе ния
іременнью, температурные характеристики ПКМ
Рисунок 1- Методологическая и структурно-логическая схема исследования
омби-ниро-
іонби-
КИрО'
аиная
"Г
патентом Российской Федерации № 2035728 на "Способ определения показателей пожароопасности материалов н устройство для его осуществления"';
- проведена оценка воспламеняемости и горючести
ПКМ, отвержденных полимерных композиций, металлических
ингредиентов в потоке нагретого воздуха; эксперименталь
но установлены зависимости показателей воспламеняемости -
периода индукции от температуры среды и температуры (са-
мо)воспламенення от размера образцов (частиц);
экспериментально установлены общие закономерности процессов термической и термоокислительной деструкции от-вержденной полимерной эпоксидной композиции и стеклопластиков, а также взаимосвязь между параметрами термоокислительной деструкции и показателями горючести полимерных материалов;
установлено существование нескольких режимов воспламенения стеклопластика в зависимости от температуры потока нагретого воздуха, обнаружено наличие фронта волны догорания по стеклопластику и сделана оценка скорости его распространения;
созданы устройства и разработаны методики исследования деформативных и прочностных характеристик ПКМ, подвергаемых воздействию высоких температур и механических нагрузок;
- разработаны комбинированные способы снижения по
жарной опасности ПКМ с применением замедлителей горения
и абляционной теплозащиты без ухудшения их механических
свойств и структуры материала;
развиты математические модели процессов воспламе-ненения и горения ПКМ, ингредиентов ПКМ, получены расчётные выражения для основных показателей воспламеняемости, коррелирующие с результатами экспериментов;
развита теория для расчета динамики параметров истощения дисперсных включений наполнителя ПКМ, предложены скейлинговые зависимости, описывающие указанную динамику
при деструкции включений, установлено соотношение между средним радиусом включений и временем термодеструкцин;
развита теория устойчивости к воспламенению наполненных полимеров при воздействии кратковременных интенсивных тепловых нагрузок, оценено влияние наполнителя на предвоспламенительный процесс;
предложены новые теоретические методы нахождения параметров: газофазного воспламенения образцов полнмерно-ного материала; воспламенения ПКМ с учетом образования и развития пор; воспламенения полимера и частиц оксидов металлов при наличии поверхностной экзотермической реакции; воспламенения ПКМ при совместном воздействии потока нагретого воздуха и лучистой энергии излучения;
рассмотрена кинетика сшивки молекул полимерного материала при модификации поверхности полимерных материалов, в случае совместного нагрева и облучении лазерным излучением, с целью снижения их горючести, исследовано влияние термодинамических флуктуации на эффективность процесса модификации ПКМ.
Указанные разработки выносятся автором на зашиту.
Приведенная выше рабочая гипотеза полностью подтверждена результатами исследований.
Практическая ценность работы: Решена научно - практическая проблема прогнозирования показателей воспламеняемости ПКМ и разработки новых методов снижения их горючести. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, могут быть основой для дальнейшего развития теоретических представлений по изучаемому в диссертации вопросу. Методы исследований, развиваемые в диссертации, имеют универсальное значение, что позволяет применять их при определении показателей пожарной опас-
*3а указанные разработки присуждён индивидуальный грант международным фондом Дж. Сороса.
нести для довольно большой группы ПКМ я полимерных материалов.
Созданы методы управления пожароопасными свойствами ПКМ, на основе которых разработаны технологические схемы получения стеклопластиков пониженной горючести; реализован опытно-промышленный комплекс с усовершенствованной машинной намоткой; изготовленные стеклопластиковые конструкции пониженной пожарной опасностью внедрены в ряде объектов.
Методы оценки пожарной опасности ПКМ представлены Центру по сертификации при УкрНИИПБ МВД Украины для включения в государственный стандарт Украины "Пожаровзры-воопасность веществ и материалов";
Созданная "Комплексная установка"(КУ), предназначенная для дифференцированной оценки пожарной опасности веществ и материалов, используется в деятельности УкрНИИПБ, в ряде областных испытательных пожарных лабораторий Украины, а также в научно - исследовательских работах ХГТУСА, Харьковского института пожарной безопасности (ХИПБ), Харьковского государственного политехнического университета (ХГПУ).
Результаты работы в практике позволили получить реальный экономический эффект от внедрения КУ н способа определения температурных и временных показателей пожаро-опасности вешеств и материалов. Согласно расчету, проведенному УкрНИИПБ МВД Украины, ожидаемый экономический эффект составит более миллиона руб. (расчёт велся по ценам 1991 г.), проведенный расчет фактического эффекта от внедрения КУ только для определения одного показателя воспламеняемости твердых и неметаллических материалов составляет 3658 руб. (по иенам 1991 г.), кроме того экономический и социальный эффект возможен за счет прогнозирования и повышения пожарной безопасности конструкций, в которых используются предложенные ПКМ, повышении безопасности труда работников производственной сферы и по-
жарной охраны.
Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством и при непосредственном участии автора в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры с 198S г. и на завершающем этапе в Научно-техническом центре электрофизической обработки НАН Украины в рамках выполнения государственного плана экономического и социального развития Украины ( развитие науки и техники ) по Харьковской области согласно научно-технической программе РН.Ц.003 "Материалоемкость", частью исследований плана работ П.1.1.Н. 028-87 Всесоюзного научно- исследовательского института противопожарной обороны МВД СССР по теме "Снижение пожарной опасности композиті оиных материалов на основе термореактивных смол и конструкций из них", частью плана научных работ института химической физики АН СССР по комплексной теме 3.8 на 1986 - 1990 гг. "Снижение горючести полимерных материалов, плановой тематикой отдела №5 на 1988 -1990 гг. института органической химии АН Украины по теме "Снижение пожарной опасности полимерных композиций", в рамках тематического плана Украинского научно-нсследова-тельскосо института пожарной безопасности МВД Украины по теме 1.5.4 на 1992- 1994 гг. "Комплексная установка" (отчёт о научно - исследовательской работе № 01944036489 "Разработка комплексной установки и методик для исследования пожарной опасности веществ н материалов в потоке нагретого воздуха и лучистой энергии излучения"), договоров о научно-техническом содружестве между ХГТУСА и МИСИ, ОГУ, ИМИ.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами эксперимента, проведенного на созданном комплексе установок, н сравнением с теми же параметрами, экспериментально полученными в ЦНИИСКе Госстроя СССР и ВНИИПО МВД СССР стандартными методами; результатами испытаний элементов конструкций из полимерных материалов на
прочность, деформатнвность, огнестойкость; адекватностью теоретических моделей реальным условиям процесса, которая достигалась системой критериев, позволяющих сравнивать теоретические и практические параметры; расчетной точностью разработанного экспериментального метода; корреляционным анализом результатов, полученных разработанным и стандартным методами.
Апробация работы. Результаты работы и основные ее положения докладывались н обсуждались на Международных научных и научно- технических конференциях "Полимерные материалы с пониженной горючестью'* (НРБ, Плевен, 1989, Алма-Ата, 1990, Волгоград, 1992 ); V Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технологии, образование, здоровье" ("Micro CAD-97-Харьков"); на IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989); на X-XI Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы пожарной безопасности зданий и сооруженип"(ВНИИПО МВД СССР, Валашиха-6, 1989), "Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства" (ВНИИПО МВД СССР, Балашн-ха-6, 1991); на 6-ой Всесоюзной научной конференции по горению полимеров и созданию ограниченно горючих материалов (Суздаль, 1988); на 6-ти Всесоюзных научных конференциях "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса), на двенадцати различных Республиканских, Всероссийских, Всеукраинских конференциях; на трех межгосударственных (Львов, 1994) и межинститутских семинарах (ИСПМ АН СССР, Москва, 1988, 1990); на тринадцати научно-технических конференциях ХИСИ-ХГТУСА (Харьков, 1985 -1997 ) и др.
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 77 печатных работ. В диссертации обобщены материалы исследований, которые являются результатом многолетней самостоятельной работы автора, а также выполненные с коллегами аспирантами и соискателями автора. В
работах, опубликованных в соавторстве, автор определял направление, ему принадлежит решающая роль в обобщении результатов работ, инициатива и непосредственное участие в приложении результатов работ к конкретным системам, участвовал в теоретическом анализе, в обсуждении и в интерпретации полученных результатов, формулировке выводов. Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованных источников, приложения. Работа содержит 399 страниц текста, включая 72 иллюстрации и 37 таблиц, список литературы, который цитируется, из 406 наименований.