Горение целлюлозных материалов

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света.

Для возникновения и развития горения необходимо одновременное сочетание горючего вещества или материала, окислителя (обычно кислорода воздуха) и источника зажигания (при возгорании), причем эти факторы должны сочетаться в определенных количественных соотношениях. В случае когда соотношение между компонентами горючей системы (совокупность горючего и окислителя) таково, что сгорание происходит полностью и в продуктах сгорания отсутствуют исходные компоненты, имеют дело со стехиометрическои горючей системой.

Целлюлозные материалы ( древесина, хлопок, бумага, лен) обладают характерным свойством, отличным от свойств других горючих веществ. При нагревании до определенных температур они разлагаются с выделением тепла. При малом теплоотводе выделившееся за счет разложения тепло не может полностью удалиться и происходит самонагревание горючего вещества, которое при соответствующих температурах и доступе воздуха приводит к возникновению горения.

 

Горение целлюлозы

Горение целлюлозы происходит в результате воспламенения или тления.

При термическом разложении целлюлозы при горении образуются газы, смолы, жидкие и твердые вещества.

Часть некоторых летучих фракций, образовавшейся жидкости и смолы во время горения улетучивается, в то время как другая часть продуктов горения превращается в карбонизованный остаток, горение которого происходит значительно труднее.

Такой защитный слой предохраняет ткани от доступа кислорода воздуха, удерживает летучие смолы, выделяемые в процессе горения, и является препятствием для распространения пламени.

Согласно этой теории, антипирен разлагается при температуре горения с выделением инертных газов, способных снижать концентрацию выделяющихся при разложении целлюлозы горючих газов ниже той, при которой они воспламеняются и горят.

Предложено два механизма для объяснения замедления горения целлюлозы в присутствии антипиренов.

Огнезащищенные целлюлозные текстильные материалы 443 нижается настолько, что горение заканчивается сразу же после удаления пламени.

В развитие этой теории было высказано предположение, что замедление процесса горения является следствием каталитической дегидратации целлюлозы при взаимодействии ее с кислотами Льюиса по карбанионному механизму [6].

Как ингибитор процесса горения кислота Льюиса может присутствовать в исходном продукте или выделяться из исходных антипире-нов, вводимых в материал при температуре, близкой к температуре горения целлюлозы.

Смолообразные продукты разложения невоспламеняющейся целлюлозы почти не содержат левоглюкозана, в то время как смола, образовавшаяся при горении немодифицированной целлюлозы, состоит в основном из левоглюкозана.

Существует также корреляция между невоспламеняемостью ткани и соотношением количеств угля и смолы, а также соотношением СО и СО2, выделяющихся при горении целлюлозы.

По мнению Эстеве [15], невоспламеняемость целлюлозного материала, содержащего антнпирен, обусловлена значительным снижением содержания левоглюкозана — основного продукта горения немодифицированной целлюлозы — и увеличением количества образующегося угля.

Основными факторами, определяющими защитные свойства целлюлозных материалов, являются: а) легкость воспламенения, б) время тления, в) скорость распространения пламени и г) количество тепла, выделяющегося при горении.

Это предположение вполне логично, так как в таком положении выделение тепла с поверхности ткани минимальное, и пламя, и летучие газы, поднимающиеся вверх, создают вокруг негорящей ткани атмосферу, способствующую дальнейшему горению.

Сущность этого наиболее широко применяемого метода состоит в том, что измеряют длину обугленного участка ткани, образовавшегося при горении и последующем тлении, после выдерживания образца в стандартном пламени в течение 12 с в строго контролируемых условиях.

Большинство тканей, устойчивых к горению под углом 135° к источнику пламени, выдерживают и стандартное испытание на воспламеняемость ткани, находящейся в вертикальном положении [31].

Стальной цилиндр, нагретый до 800 °С, помещают на ковер на 12 с и затем по величине обуглившейся площадки ковра и продолжительности горения делают вывод об огнезащитных свойствах этого материала [32].

Снижение устойчивости к воспламенению такого материала после щелочной обработки объясняется образованием натриевой соли фосфата целлюлозы, которая при температуре горения термически более стабильна, чем свободные фосфаты целлюлозы, и поэтому не гасит пламени.

Соли, образовавшиеся в результате ионного обмена, термически устойчивы при температуре горения и поэтому не могут оказывать огнезащитного действия, так как не разлагаются при температуре ниже температуры воспламенения целлюлозы.

 

Для подбора наиболее эффективных антипиренов необходимо рассмотреть, какие химические реакции протекают в процессе горения целлюлозных материалов и каков механизм действия антипиренов в этих реакциях. Характер горения целлюлозного материала зависит от химических и термических свойств элементарных звеньев макромолекулы целлюлозы, механизма действия кислорода и наличия в материале некоторых нецеллюлозных примесей. Такие свойства волокон, как температура возгорания, скорость горения, количество тепла, выделяющееся при горении, влажность, в значительной степени влияют на характер горения целлюлозы. В процессе горения выделяются газы, пары воды и остается обугленный остаток. При горении целлюлозного материала, не содержащего антипирена, количество смолы н твердого остатка невелико; основными продуктами разложения являются двуокись углерода и вода. При наличии в волокне антипиренов состав продуктов разложения сильно меняется.

 

 

 

Горение целлюлозы является окислительным процессом и может сопровождаться образованием пламени пли тлением; большинство органических волокон продолжает тлеть даже после того, как источник горения удален. Тление приводит к значительному повреждению материала и способствует образованию пламени, в результате чего может сгореть все изделие. Процессы горения и тления протекают при различных температурах и имеют довольно четкие отличия

Горение целлюлозы происходит в результате воспламенения или тления. При термическом разложении целлюлозы при горении образуются газы, смолы, жидкие и твердые вещества. Часть некоторых летучих фракций, образовавшейся жидкости и смолы во время горения улетучивается, в то время как другая часть продуктов горения превращается в карбонизованный остаток, горение которого происходит значительно труднее. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не останется только карбонизованный остаток, после чего начинается вторая стадия процесса - тление. Температура горения целлюлозы 400 - 450 С, а температура тления около 600 С. 

Нерастворимые соединения, ограничивающие способность горения целлюлозы, чаще применяют не для дерева, а в текстильном производстве. Однако действие этих веществ в целом одинаково. Сущность способа заключается в том, что в начале обработки материал пропитывают раствором сульфата натрия и на волокнах осаждается гидроокись олова. По этому способу, например, действуют прежде всего водным раствором оксихлорида титана и хлоридом сурьмы в среде соляной кислоты и после этого 15 % - ным раствором углекислого натрия

Предложено два механизма для объяснения замедления горения целлюлозы в присутствии антипиренов. Согласно одному из этих предложений, тепло, поступающее от источника пламени, рассеивается вследствие эндотермического изменения антипирена, например плавления и сублимации. Такое поглощение тепла препятствует распространению пламени. Согласно другому предположению, тепло, поступающее от источника пламени, отводится от волокна так быстро, что ткань не достигает температуры воспламенения. Однако ни одна из этих гипотез неприменима для объяснения огнезащитного действия большинства известных типов антипиренов.

На складе и в отделении подготовки целлюлозы может находиться большое количество горючего материала в кипах, в виде разрыхленных листов или волокнистой массы. Температура самовоспламенения древесной целлюлозы 360 С, теплота сгорания превышает 4000 ккал / кг, весовая скорость горения целлюлозы в листах составляет 1 22 кг / м2 - мин. Горение целлюлозы в условиях недостаточного притока воздуха приводит к сильному задымлению производственных помещений.

 

 

Особенности горения хлопка: горит очень легко, сгорает полностью, пламя желтое, пепел серый, запах жженой бумаги.

Особенности горения льна: пламя желтое, сгорают полностью, пепел серый, запах жженой бумаги. Особенности горения такие же как у хлопка, потому что лен имеет тот же химический состав, что и хлопок.

Горение древесины

В результате соответствующего нагрева куска дерева начинается термическое разложение его с образованием смеси различных газов, содержащих углерод: СО2, СО, С2Н4, С3Н8, СН4 и др. в процессе горения древесины постепенно уменьшается доля СО2 и увеличивается количество углеводородов. Сгорание этих газов в окружающем воздухе представляет собой первую пламенную фазу горения древесины. Из нагреваемой древесины газы выходят с большой силой, давление газов поднимается до многих десятков атмосфер. Этим объясняется малая эффективность огнезащитных мероприятий, базирующихся на изоляции древесины газонепроницаемыми, но проводящими тепло слоями, например обшивка кровельной сталью. 

 

Другим продуктом термического разложения древесины является уголь. Не обладая свойствами летучести при температуре обычных пожаров (800 - 900°), уголь окисляется в результате постоянного притока кислорода. Этот процесс — так называемое тление угля — представляет собой вторую фазу горения древесины. 

 

В этой фазе наличие на поверхности угля даже ничтожной по толщине (доли микрона) пленки золы или другого вещества оказывается достаточным для прекращения тления. В топках котлов сильным дутьем зола сдувается с поверхности угля, и он перетлевает полностью. При пожарах зола, как правило, остается на угле, и тление быстро прекращается, остается не перетлевшим до 20% угля от начального веса строительной древесины. 

 

Древесные опилки тлеют интенсивно и стойко, благодаря высокой воздухопроницаемости 

 

При температуре выше 1100° летучесть угля резко возрастает, он способен гореть пламенем. 

 

Горючесть - это свойство материала, количественно характеризующая три показателя: теплотворная способность (калорийность) материала, температура возгорания и интенсивность выделения тепла единицей площади горящей поверхности. 

 

Интенсивность выделения тепла во время горения древесины характеризует силу пожара, определяется произведением площади одновременно горящей поверхности на количество теплоты, генерируемой единицей горящей поверхности в единицу времени (показатель активности поверхности). 

 

Показатель активности поверхности деревянных элементов: за 1 мин. древесина переугливается на глубину от 0,8 до 1 мм; вес 1 м2 слоя такой толщины для абсолютно сухой древесины составляет от 0,36 до 0,45 кг. 

 

С учетом теплотворной способности древесины, сгорающей в уголь, выделяется от 62 до 78 тыс. ккал/м2 в час. Показатель активности деревянных горящих поверхностей относительно невелик. Для сравнения показатель активности поверхности горящего авиационного бензина достигает 2 100 тыс. ккал/м2 час. 

 

Дальнейшее самостоятельное горение возможно, если количество тепла, отдаваемое в окружающее пространство единицей поверхности горящей древесины в единицу времени, не превышает показателя активности деревянной поверхности. Так, например, обращенная вверх горизонтальная поверхность плотного, без щелей, деревянного настила не может самостоятельно гореть без дополнительного нагрева. 

 

Нецелесообразно оставлять пустоты в деревянных конструкциях или же надо заполнять их несгораемыми материалами и применять несгораемые подшивки и обшивки. Уменьшение эффекта взаимного обогрева зданий во время пожара достигается устройством противопожарных разрывов достаточной ширины.