Способ определения горючести полимерных материалов

 

Союз Советских

С щиапистических

Республик он857.832

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (54)м. кл.з (22) 3+> «< 240178 (21) 2574134/18-25 с присоединением заявки Ж (23) Приоритет—

G 01 N 25/52

Государственный коянтет

СССР

bio делая изобретений н открытий

Опубликовано 230881. Ькзллетень М2 31

Дата опубликования описания. 230881 (53) УДК 621.136 (088. 8) С.В.Мельников, В.N.Ëàêîýà, В.Л.Страхов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРЮЧЕСТИ

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к исследо ванию физических и химических свойств веществ и может быть использовано для определения пожарной опасности композиционных полимерных материалов (КПМ) .

Известен способ определения показателей воспламеняемости MarepHaaos, заключающийся в нагреве образца в печи до температуры 750 С. При этом регистрируется повышение температуры или появление пламени. Материал считается не горючим, если при нагревании образца не наблюдается пламени и температура в печи поднимается не более, чем íà 50 С (1)

Недостатком этого способа является то, что он позволяет из всех классов веществ выделить только негорючие.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения горючести полимерных материалов, заключающийся в нагреве образца в воздушной среде до развития горения и измерении подаваемого теплового потока от нагревателя..Источником нагрева образца служит электронагреватель и газовая горелка с расходом газа 0,1-0,15 л/мин.

При проведении опытов испытываемый образец подвешивают вертикально в центре электронагревателя над газовой горелкой.

Опытйым путем подбирают такие условия зажигания, при которых отношение количества тепла, выделенного образцом при горении, к количеству тепла, выделенному источчиком зажигания, было бы наибольшим. Это отношение называют показателем горючести К.

В зависимости от величины К мате15 риалы относят к следующим группам горючести

K&0,1 — негорючие;

0,1(К<0,5 — трудногорючие1

0,5<К<2,1 — трудновоспламеняе- .

20 мые;

K>2,l — легковоспламеняемые (2), Недостаток известного. способа определения горючести КПМ заключается

25 в том, что при испытании кПМ этМм способом получают завышенные показатели горючести. Это является результатом того, что при нагревании образца КПМ с торца происходит его

30,расслоение. Горение большинства КПЯ

857832 происходит в газовой фазе по схеме: нагрев материала„ выделение летучих продуктов разложения, их перемешива- ние с воздухом и горение полученной смеси. Расслоение образца приводит к значительному увеличению площади поверхности, с которой происходит газовыделение. В результате этого летучие, которых выделяется в этом случае значительно больше, чем выделилось бы из монолитного образца, при перемешивании с воздухом и сгора- 0 нии выделяют большое количество тепла в камеру калориметра, что и приводит к завышению показателя горючести.

: Цель изобретения — повышение точ- 35 ности определения горючести композиционных полимерных материалов (КПМ).

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения горючести полимерных материалов, вклю- щ чающему нагрев образца в воздушной среде до развития горения и измерение подаваемого теплового потока, Образец трубчатой формы нагревают изнутри до воспламенения, затем подают

25 воздушный поток до полного развития горения с фиксацией времени нагрева, после чего прекращают нагрев, фиксируют время свободного горения и определяют категорию горючести по величине критического запаса тепла Q,>3ûчисленному по формуле

Q = qt .где q — - удельный тепловой поток от нагревателя; ь — время нагрева образца до раз- 35 вития горения, и времени свободного горения.

Под временем нагрева до развития горения понимается такое время нагрева, при котором наблюдается сво- @) бодное горение об>разца в -ечение

30 с после выключения источника нагрева.

Прогрев образца при испытаниях, в случае его невоспламенения, продолжают минимум до тех пор, пока термопара, размещенная с наружной стороны трубы, не начинает фиксировать повышение температуры.

Если образец не воспламеняется, увеличивают удельный тепловой поток от источника нагрева.

При возникновении горения источник нагрева выключают и наблюдают за развитием горения, В случае затухания образца, в псследующих опытах noc $$ тепенно увеличивают время работы источника до тех пор, пока после прекращения его работы образец не горит стабильно.

Тепло, запасаемое образцом во время прогрева, можно определить следующим образом. В исследуемом образце размещаются термопары и во время опыта записывается температурное поле по толщине образца, Для момента выключения источника нагрева строится зависимость Т,„= f(Х) по формуле

Q„- =I Р cTdx, где Q. запас тепла в образце,Дж/м

Т - температура образца, К; с - теплоемкость материала, Дж/кг К;

Р— плотность материала, кг/м

Э с5" — толщина образца, м,,определяют запас тепла на единицу площади поверхности образца. Такой метод требует знания зависимостей теплофизических характеристик КПМ от температуры, определение которых в большинстве случаев очень сложно и трудоемко.

В связи с этим согласно предлагаемому способу для определения горючести КНМ используют трубчатые образцы. При этом количество тепла от источника нагрева

Q qРб где q — удельный тепловой поток от источника нагрева, Дж/м

Т вЂ” время теплового воздействия на образец до воспламенения и развития горения, с достаточной для практики степенью точности можно считать равным теплу, запасенному образцом за это же время. 2- О1

Измерение q производится в настроечных опытах.

На основании длительных экспериментальных исследований в лабораторных условиях и анализа возникновения пожаров в реальных условиях конкретизируют разделение КПМ на группы горючести.

К трудногорючим можно отнести КПМ, которые имеют величину критического запаса тепла более 10 Дж/м2; к трудновоспламеняемым — КПМ, которые имеют величину критического запаса теп» ла в пределах 5 10 -10 Дж/м ; к легковоспламеняемым - КПМ, которые имеют величину критического запаса тепла менее 5 ° 10" Дж/м 2

В табл. 1 приведены сравнительные оценки горючести КПМ.

857832

Та блица l

Классификация " о известному способу

Классификация по предлагаемому способу

Общепринятая степень пожарной опасности веществ

Не воспламЕняется от источника нагрева

Негорючие материалы, не способные к горению

Kа (0,1

Имеют величину критического запаса тепла Я>10 Дж/м

О, 1

Имеют величину критического запаса тепла

Q = 5 ° 10 -10 Дж/м

Трудновоспламеняемые

0,5(К<2,1

Имеют величину критического запаса тепла Q<5 10 Дж/м

Легковоспламеняющиеся

К>2, 1

Трудногорючие материалы, не поддерживающие горение

На фиг.l изображена экспериментальная установка для определения 5 горючести КПМ в момент прогрева образца, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 — то же, в момент наблюдения за свободным горением; на фиг,3 схематично показано измене- ЗО ние температуры образца по его толщине при нагреве.

Установка состоит из стапеля 1, узла 2 крепления нагревателя, нагревателя 3, воздухоэаборника 4, воэдуховода 5, вентилятора 6, регулятора 7 расхода воздуха, смотровых окон 8, узла 9 крепления образца. Цифрой 10 обозначен исследуемый образец.

Цифрами 11-13 (фиг.3) обозначены поля температур в момент времени С„, 40 ь, Т5 . Причем С, < (.

В момент времени 7„, запас тепла в образце (условно площадь лежду осью х и температурой кривсй 11) недостаточен для воспламенения образца. В g5 момент времени Г (кривая 12) запас тепла в образце достаточен для воспламенения, но недостаточен для развития горения, т.е. образец сразу же потухнет, если в этот момент прекратит свою работу внешний источник нагрева. В момент времени запас тепла в образце достаточен для вос пламенения и развития горения, т.е. затухание образца после выключения истОчника нагрева не происходит.

Пример 1. На установке, приведенной на фиг.l и 2, проводят испытания-образцов КПМ на основе- ткани

T 13 и связующего ЭП-5122 (эпокси- 40 фенольное связующее). Трубчатый образец устанавливают íà подставку так, что пакет ламп находится внутри образца. Мощность удельного тепроъо го потока от ламп равна 1,57-10" Дж/м 6S й

Включают лампу и нагревают образец.

Последний воспламеняется через 58 с.

Однако при отключении ламп пламя сразу гаснет. При увеличении времени нагрева на 5 с наблюдается самостоятельное горение в течение 8 с. Нри работе ламп в течение 65 с время самостоятельного горения составляет 18 с.

По формуле Q = cf tîïðåäåëÿþò запас тепла, Q = 1,57: 10 . 65. = 1,02 10 Дж/м .

Таким образом, при запасе тепла

Ц>10 Дж/м самостоятельное горение наблюдается в течение 18 с, т.е.

Q>10+ Дж/м, поэтому материал следует отнести к трудногорючим.

Пример 2. Проводят испытания

КПМ на основе ткани T 23 и связующего НПС-609-27. Порядок и условия проведения испытаний те же, что и в примере 1. Воспламенение материала происходит через 39 с. После выключения источника нагрева пламя затухает через 13-15 с. При увеличении времени нагрева на 3 с время самостоятельного горения составляет 31-33 с. Определяют запас тепла, необходимый для воспламенения и развития горения, по формуле

Q qE, и

1, 57 -10 . 42 = 6, 13 10 Дж/м

Так как минимальный запас тепла, необходимый для воспламенения и развития горения 5 ° 10"

Этн же материалы испытывают методом калориметрии. Показатель горючести КПМ на связующем НПС-609-27 пол чают равным 2,4, а на связующем .

ЭП-5122 - 1,7 °

В табл. 2 приведена сравнительная оценка горючести известным и предлагаемым способам

857832

Tà блица 2

Материал

Метод калориметрии

Предлагаемый метод

Группа горючести

Показатель горючести

Критический запас тепла, Дж/м

Время самостоятельного горения,с

Группа горючести

КПМ на основе ткани

Т 13 и связующего

ЭП-5122

1,7

КПМ на основе ткани

Т 13 и связующего

НПС-609-27

Таблица 3

Г

Время самостоятельного горения,t, с

Критический запас тепла

Q„„Д/

Время нагрева, с. Плотность теплового потока, q

Вт/м

7,08 10

9,2 10

1,57.10

2р 54 -10

3, б -105

77 бс59 10 б, 85 .1(f

7,2 ° 10

Формула изобретения

Результаты, приведеннйе в таблице, показывают, что испытания материалов известным методом калориметрии дают завышение горючести на 1 класс. Та«

KIIM на основе связующего ЭП-5122 следовало бы отнести к группе трудногорючих, а на основе связующего

НПС-609-27 — к группе трудновоспламеняемых.

Кроме того, испытания материала проводят при разных значениях теплового потока при переменных количестКак видно из приведенной:таблицы критический запас тепла нв зависит от уровня теплового потока (в пределах от 9 ° 104 до 3,6- 10 ). Разброс экспериментальных данных, равный

8,4%, объясняется разбросами технологических параметров при изготовлении образцов и погрешностями системы измерений при экспериментах.

Внедрение результатов исследований горючести стеклопластика на основе связующего ЭП-5122 предлагаемым методом позволяет понизить категорию пожароопасности цеха прессования стеклопластиков и назначить категорию Д вместо В . Это дает воэможность сменить автоматическую систему пожаротушения на 2 установки

Трудно- Трудновоспламе- горючий

1,02 10 18

Легко- Трудновоспла- воспламеняемый 6,13 10 32 меняемый

6 ве ламп типа КГО-2500 и напряжения йа лампах (220-380 В). Плотность лучистого теплового потока определяют в настроечных опытах с помощью калориметрического устройства КУТП-1500, разработанного в ЦАГИ.

Подача воздуха осуществляется со скоростью 10/с что определяется настройкой заслонки и контролируется анемометром АСД-3.

30 Результаты испытаний занесены в табл.3 °

УП-1N что приводит к зкономии более уф 50000 руб. Более широкое внедрение изобретения значительно увеличит указанную сумму экономии.

Способ определения горючести поли.мерных материалов, включающий нагрев образца в воздушной среде, воспламенение и развитие горения, измерение

М подаваемого теплового потока, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения горючести композиционных материалов, используют образец трубчатой формы, Я который нагревают до воспламенения

857832

10 изнутри, затем подают воздушный поток фиксируют время нагрева до развития горения и время свободного горения и по величиче критического запаса ,тепла Q, вычисленного по формуле

0 =. С1 5 где «» — время нагрева;

q — удельный тепловой поток, Дж/ м и времени свободного орения определяют горючесть композиционных полимерных материалов.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М., Химия, 1972, с.67.

2. Метод калорнметрии. ГОСТ 1708871 ° Пластмассы, методы определения горючести (прототип).

ВНИИПИ Заказ 72 31/71 . Тираж 907 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4