Горение полимерных материалов

Полимеры отличаются высоким содержанием углерода и большинство из них не содержат кислорода (каучук – изопреновый и «натуральный», полиэтилен, полипропилен). Капролактам, полиакрилы и фенолформальдегидная смола содержат кислорода до 15…30 и более %.

Горение полимеров происходит с образованием большого количества продуктов неполного сгорания – сажи.

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Большинство из них при нагревании плавится и образует в процессе горения на поверхности жидкий слой. На вертикальных и наклонных поверхностях горения жидкий слой стекает и его толщина не превышает 1…2 мм. Стекающая жидкость растекается и распространяет горение на негорящие еще предметы. На горизонтальных поверхностях горения полимеров жидкий слой непрерывно растет достигая своей постоянной величины (слой 6…8 мм).

Скорость горения органических веществ

Удельная массовая скорость выгорания твердых веществ (отношение скорости выгорания к единице поверхности) не зависит от размеров поверхности твердых веществ и изменяется в зависимости от температуры и влажности веществ (древесина W = 10% = 0,5 кг/см²·мин; стеклопластик = 1,0; каучук СКИ-3 = 1,12 кг/см²·мин).

Чем меньше влажность древесины, тем более трудно она воспламеняется, т.к. много тепла расходуется на ее испарение.

Приведенная массовая скорость выгорания (V_м) некоторых твердых веществ: бумага – 0,48 кг/см²·мин; древесина (мебель) – 0,84 кг/см²·мин; пиломатериалы в штабеле – 0,7…0,8 кг/см²·мин; резиново-технические изделия – 0,67 кг/см²·мин; текстолит – 0,4 кг/см²·мин; хлопок разрыхленный – 0,21 кг/см²·мин.

Перемещение фронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения, измеряется V, м/мин:

V = l/,

где V – скорость распространения; l – расстояние, пройденное фронтом пламени, м;  – время перемещения пламени, мин.

В расчетах принимают только скорость распространения по горизонтальной поверхности.

В условиях пожара скорость распространения горения, как правило, ниже скорости распространения горения по поверхности твердого горючего вещества, т.к. вносят коррективы разрыва между штабелями горючих материалов.

2.3.2. Горение неорганических твердых веществ

Металлы: (Li, Na, K, Mg, Ca, Zn, Fe, Sb, Sn, Al, Ti, Zr и др.).

Сплавы: (Al–Mg, Mg–Si, Al–Si и др.).

Неметаллы: (P, Si,C, B и др.).

Неорганические соединения: сульфиды (секвисульфид Pb₄S₃; антимоний Sb₂S₃; пирит FeS₂), силициды (Mg₂Si, CaSi, Ca₂Si₂), фосфиды (Ca₃P₂), карбиды (SiC, CaC₂ и др.).

Особенностью их горения является то, что они при нагревании, как правило, плавятся и образуется слой паров.

Горение металлов

На поверхности металлов в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту с кислородом воздуха.

На способность металлов возгораться и гореть большое влияние оказывают физико-химические свойства как самих металлов, так и их оксидов. Главными из этих свойств являются температуры плавления и кипения металлов и их оксидов. По этим физическим свойствам металлы подразделяются на летучие и нелетучие.

Все летучие металлы (К, Na, Li, Mg, Ca) имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура кипения их (кроме калия) ниже температуры плавления оксидов. Поэтому на жидком металле могут находится твердые оксиды.

При контакте металла с пламенем – он нагревается и окисляется. Оксиды металлов пористы, и нагрев металла продолжается и он начинает испаряться. Пары его диффундируют сквозь пористый твердый оксид в воздух. При достаточной концентрации паров начинается горение, и большая часть теплоты горения передается металлу, – в результате он вновь нагревается до температуры кипения, – происходит разрыв корки оксида и более интенсивное горение. Пары оксидов конденсируются в воздухе и превращаются в мельчайшие твердые частицы – дым. Образование белого плотного дыма является одним из признаков горения металлов.

Нелетучие металлы имеют свои особенности горения (температура плавления оксидов часто ниже температуры кипения металлов, поэтому они могут находится на поверхности металлов в жидком состоянии) – Al, Si, Ti, Zr. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоянии порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма.

Титан способен образовывать твердый раствор оксида в металле, поэтому у него отсутствует четкая поверхность раздела между оксидом и металлом. Кислород воздуха имеет возможность диффундировать через оксид, в результате горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердого оксида. Температура горения титана около 3000⁰С, т.е. ниже, чем температура кипения его оксида. В связи с этим в зоне горения оксид титана находится в жидком состоянии и образования плотного белого дыма не происходит.