Ćwiczenie nr 13.

opracowała mł. bryg. dr M. Półka

Badanie zapalności materiałów poddawanych bezpośredniemu

działaniu pojedynczego płomienia zgodnie z PN-EN ISO 11925-

2:2004

Obecnie można zauważyć coraz większe wymagania ludzi w dziedzinie estetyki i ergonomii.

Każdy pragnie, aby jego otoczenie kojarzyło się wygodą, luksusem i bezpieczeństwem. Nie

inaczej jest w przypadku wystroju wnętrz i elementów wyposażenia. Producenci prześcigają

się w wymyślaniu nowych trendów i materiałów, cały czas starając się iść za modą, bądź

wytyczać jej nowe style i kierunki. Wygląd otoczenia wpływa na nasze postrzeganie i

usposobienie. Odpowiedni wystrój takich obiektów, takich jak banki, sklepy, biurowce

skupiające wielkie korporacje, a nawet szkoły, jest niejednokrotnie drogą do sukcesu. Nie

dziwi zatem fakt, że do wystroju wnętrz używa się przeróżnych materiałów, surowców i

elementów zarówno pochodzenia naturalnego, jak i z tworzyw sztucznych. Na ścianach,

podłogach i sufitach można znaleźć panele, boazerie oraz przeróżnego rodzaju wykładziny. O

ich doborze, oprócz wyżej wymienionych cech decyduje także trwałość i przede wszystkim

cena.

W niniejszym ćwiczeniu nr 13 można wykonać analizę porównawczą zapalności i

szybkości rozprzestrzeniania płomienia zgodnie z Polską Normą PN-EN ISO 11925-2 po

elementach wykończenia wnętrz i stałego wyposażenia, zastosowanych na drogach

ewakuacyjnych, a mianowicie: wykładzin, paneli podłogowych, paneli ściennych,

podwieszanych sufitów, boazerii sosnowych i PVC i innych.

1.

Podstawowe zagadnienia dotyczące spalania materiałów palnych

Ogień towarzyszy człowiekowi od czasów prehistorycznych. Jednakże sam proces

spalania, mimo iż jest zjawiskiem wszechobecnym, spotykanym wraz z jego skutkami na

każdym kroku, nie został jeszcze do końca poznany, a jego wykorzystanie nie odbywa się

zazwyczaj w warunkach dla niego optymalnych.

Wiedza o spalaniu jest złożona i ma charakter interdyscyplinarny. Łączy m.in. chemię, fizykę,

mechanikę płynów, wiadomości z zakresu wymiany ciepła, masy i pędu, budowy maszyn czy

też inżynierii materiałowej.

1.1.

Utlenianie a spalanie

Podstawą procesu spalania jest reakcja utleniania. Utlenianie jest egzotermiczną

reakcją chemiczną materiału z utleniaczem, polegającą na utracie elektronów przez obojętne

atomy, cząsteczki lub jony, w której następuje podwyższenie stopnia utlenienia reduktora.

1

Spalanie zaś definiuje się jako egzotermiczną reakcję substancji palnej z utleniaczem,

której towarzyszą płomienie, żarzenie i/lub wydzielanie dymu.

2

Utleniaczem jest pierwiastek lub związek chemiczny, który może spowodować utlenianie lub

spalanie danej substancji. Zgodnie z tą definicją utleniaczem nie musi być wyłącznie tlen, lecz

również związki bogate w tlen, ze zdolnością do oddawania go. Niemniej jednak najczęściej

spotykanym w procesach technologicznych utleniaczem jest tlen z powietrza. Tlen w

normalnych warunkach łączy się tylko z nielicznymi pierwiastkami np. fosforem, metalami

alkalicznymi. Natomiast w podwyższonej temperaturze niemal ze wszystkimi (wyjątek: fluor,

platyna).

Poniżej (tabela 1.) przedstawiono przykłady najczęściej spotykanych utleniaczy.

3

Tabela 1. Przykłady utleniaczy

Nazwa utleniacza

Wzór chemiczny

Nadmanganian potasu

KMnO

4

Nadtlenek wodoru

H

2

O

2

Tlen

O

2

Ozon

O

3

Nadtlenek sodu

Na

2

O

2

Nadtlenek eteru etylowego

(C

2

H

2

)

2

O

2

Pięciotlenek azotu

N

2

O

5

Kwas azotowy

HNO

3

Powietrze

O

2

+ N

2

+ inne składniki

1

Pajdowski L.: Chemia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2002r.

2

Definicja wg PN-ISO 8421-1:1997 Ochrona przeciwpożarowa – Terminologia – Terminy ogólne

i dotyczące zjawiska pożaru

3

Ture R. L.: Principles of fire protection chemistry, NFPA, 1976 r., s. 32-46

Pomiędzy procesami utleniania a spalania istnieje różnica w szybkości przebiegu

reakcji chemicznej. W przypadku utleniania ilość ciepła, która się wydziela jest zbyt niska

aby produkty reakcji dały zjawisko świecenia. Nie każda reakcja utleniania prowadzi do

procesu spalania. Spalanie przebiega w znacznie wyższych temperaturach niż utlenianie, w

związku z czym produkty spalania mają zapas energii cieplnej pozwalający wzbudzonym

atomom emitować pewne ilości (kwanty) ciepła, co oko ludzkie odbiera jako świecenie.

Zatem jeśli szybkość wydzielenia ciepła w wyniku reakcji utlenienia jest odpowiednio duża i

przewyższa ilość ciepła traconego do otoczenia, proces utlenienia przekształca się w proces

spalania. Warunki energetyczne umożliwiające zapoczątkowanie reakcji spalania

przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Warunki energetyczne zapoczątkowania reakcji spalania.

4

Energia aktywacji (podawana często w przeliczeniu na 1 mol substancji) jest wielkością

bariery energetycznej (w skali mikroskopowej – bariera potencjału), którą musi pokonać

układ reagujących indywiduów chemicznych aby doszło do reakcji chemicznej.

Energię aktywacji dla reakcji można wyznaczyć na podstawie równania Arrheniusa, znając

szybkość reakcji w różnych temperaturach:













−

=

A

k

RT

E

A

log

k – stała szybkości reakcji,
E

A

– energia aktywacji,

R – stała gazowa,
T – temperatura,
A – stała dla danej reakcji, zwana też czynnikiem przedwykładniczym.

4

Pofit-Szczepańska M.: Wybrane zagadnienia z chemii ogólnej, fizykochemii spalania i rozwoju pożarów, wyd.

SA PSP, Kraków 1994r.

Czym mniejsza jest wartość energii aktywacji, tym zwiększa się szybkość reakcji.

1.2.

Rodzaje spalania

W zależności od rodzaju substancji utlenianej, temperatury otoczenia i ilości

utleniacza w czasie procesu spalania może pojawić się płomień, żar i/lub dym.

Stąd też spalanie dzielimy na:

•

Spalanie bezpłomieniowe - proces spalania niektórych materiałów w fazie stałej bez

pojawienia się płomienia. Charakteryzuje się tym, iż w danych warunkach otoczenia

nie tworzy się (lub tworzy w minimalnej ilości) palna faza lotna. Ten rodzaj spalania

przebiega w układzie heterogenicznym (różnofazowym), co oznacza, że substraty

biorące udział w reakcji spalania są w różnych stanach skupienia (spalanie na granicy

fazy stałej i gazowej). Spalanie bezpłomieniowe (m.in. tlenie) charakteryzuje przede

wszystkim materiały, które w wyniku ogrzewania tworzą w warstwie sztywną,

porowatą węglistą strukturę (np. tkaniny celulozowe, trociny, płyty pilśniowe,

kauczuk lateksowy, wiele termoutwardzalnych tworzyw sztucznych, papier układany

w warstwach). Materiały wykazujące pod wpływem ciepła jakąkolwiek tendencję do

mięknięcia, topnienia, kurczenia lub sublimacji, nie mają skłonności do tlenia.

W produktach tlenia przeważają związki niecałkowitego i niezupełnego utleniania

węgla. Tworzący się tlenek węgla i inne gazy powiększają obszar reakcji spalania

bezpłomieniowego.

5

•

Spalanie płomieniowe - proces spalania substancji, w którym pojawia się płomień.

Występuje podczas spalania gazów, cieczy i niektórych materiałów stałych, które

tworzą palną fazę lotną. Ten typ reakcji spalania charakteryzuje się przebiegiem w

układzie homogenicznym – substraty znajdują się w jednym stanie skupienia (w fazie

lotnej).

Aby spalanie płomieniowe mogło zaistnieć niezbędne jest wystąpienie ściśle

określonych warunków. W tym samym czasie i otoczeniu muszą znaleźć się: substancja

palna, utleniacz oraz czynnik inicjujący (bodziec energetyczny). Te trzy elementy noszą w

uproszczeniu nazwę trójkąta spalania. Jednak aby spalanie mogło być podtrzymywane

samoczynnie konieczny jest jeszcze czwarty element - rozgałęzione reakcje łańcuchowe.

5

Borkowski R., Jaskółowski W., Piechocka E., Półka M.: Fizykochemia spalania i wybuchów, SGSP,

Warszawa, 1996 r.

Wpływają one na tworzenie lotnych produktów rozkładu termicznego lub pirolizy

i wolnych rodników, a co za tym idzie, decydują o ciągłości całego procesu. W sposób

obrazowy, elementy niezbędne do zapoczątkowania i warunkujące ciągłość reakcji spalania,

można przedstawić za pomocą tzw. czworościanu spalania (rys. 2.).

Rys. 2. Obraz zależności warunków spalania płomieniowego.

Aby zapobiec wystąpieniu reakcji spalania lub zakończyć już zainicjowany proces należy

usunąć jeden lub więcej z elementów czworościanu spalania.

„Paliwem” może być każda substancja mająca zdolność do utleniania w obecności

utleniacza. Substancja spalana może występować zarówno w formie stałej, ciekłej, jak i

gazowej. Przykłady paliw wraz z ich podstawowymi właściwościami mającymi wpływ na

proces spalania podano w tabeli 2. i tabeli 3.

Tabela 2. Właściwości paliw gazowych i ciekłych

6

Nazwa

Wzór

Temperatura

topnienia [

o

C]

Temperatura

wrzenia [

o

C]

Gęstość

(w postaci

ciekłej) [kg/m

3

]

Masa

cząsteczkowa

Wodór

H

2

-259,1

-252,9

70

2

Tlenek węgla

CO

-205,1

-191,5

422

28

Metan

CH

4

-182,5

-164

466

16

Etan

C

2

H

6

-183,3

-886

509

30

Propan

C

3

H

8

-119,7

-42,1

500

44

n-Butan

n-C

4

H

10

-138,4

-0,5

601

58

n-Pentan

n-C

5

H

12

-129,7

36,7

626

72

n-Heksan

n-C

6

H

14

-95

69

660

86

n-Heptan

n-C

7

H

16

-90,6

98,4

684

100

n-Oktan

n-C

8

H

18

-56,8

125,7

703

114

izo-Oktan

iso-C

8

H

18

-107,4

99,2

692

114

n-Nonan

n-C

9

H

20

-51

150,8

718

128

n-Dekan

n-C

10

H

22

-29,7

174,1

730

142

Etylen

C

2

H

4

-169,1

-103,7

384

28

Propen

C

3

H

6

-185,2

-47,4

519

42

Acetylen

C

2

H

2

---

<-84

618

26

6

Drysdale D.: Introduction to Fire Dynamics, J.Willey & Sons Inc., New York 2001, s. 3

Metanol

CH

3

OH

-93,9

65

791

32

Etanol

C

2

H

5

OH

-117,3

78,5

789

46

Aceton

(CH

3

)

2

CO

-95,3

56,2

790

58

Benzen

C

6

H

6

5,5

80,1

879

78

Tabela 3. Właściwości niektórych paliw stałych

7

Nazwa

Gęstość

[kg/m

3

]

Ciepło

właściwe

[kJ/kg

.

K]

Przewodnictwo

cieplne

[W/m

.

K]

Ciepło

spalania

[kJ/g]

Temperatura

topnienia [

o

C]

polimery naturalne

Celuloza

wartość
niestała

~1,3

wartość niestała

16,1

-

polimery termoplastyczne

Polietylen

940

1,9

0,35

46,5

130-135

Polipropylen

940

1,9

0,24

46

186

Polimetakrylan

metylu (PMMA)

1190

1,42

0,19

26,2

~160

Polistyren

1100

1,2

0,11

41,6

240

Polioksymetylen

1430

1,4

0,29

15,5

181

Poli(chlorek winylu)

1400

1,05

0,16

19,9

-

Nylon 66

~1200

1,4

0,4

31,9

250-260

polimery termoutwardzalne

Pianka

poliuretanowa

wartość
niestała

~1,4

wartość niestała

24,4

-

Pianka fenolowa

wartość
niestała

-

wartość niestała

17,9

-

Piana

poliizocyjanurowa

wartość
niestała

-

wartość niestała

24,4

-

Kolejnym elementem czworościanu spalania jest utleniacz. Podobnie jak w przypadku

paliwa, można spotkać (w warunkach standardowych) utleniacze w fazie stałej (np. nadtlenki

metali), ciekłej (np. nadtlenek wodoru, kwas azotowy), oraz gazowej. Jednak w

zdecydowanej większości przypadków utleniaczem jest tlen zawarty w powietrzu, w

przybliżeniu najczęściej występujący w stężeniu 21% objętościowych. Wyższe stężenie tlenu

może spowodować, że spalanie będzie zachodzić szybciej i gwałtowniej.

Trzeci element czworościanu spalania stanowi źródło ciepła, czyli każdy impuls

cieplny, mający niezbędny zapas energii cieplnej aby zapoczątkować reakcję spalania.

8

Biorąc pod uwagę obszar i sposób oddziaływania inicjatora można wyróżnić źródła ciepła

pilotowe

9

i ciągłe.

Pilotowe bodźce energetyczne posiadają na tyle duży zapas energii cieplnej, że dają zjawisko

ś

wiecenia. Minimalna temperatura takiego bodźca jest równa co najmniej 480÷500

°

C.

7

Ibid.., s. 4

8

PN-ISO 8421-1:1997 Ochrona przeciwpożarowa – Terminologia – Terminy ogólne i dotyczące zjawiska

pożaru.

9

Wg PN-EN ISO 13943:2002 Bezpieczeństwo pożarowe – Terminologia

Przykładem takiego źródła ciepła może być płomień zapałki, tlący się papieros, iskra

elektryczna, żużel spawalniczy. Inicjacja reakcji spalania przy pomocy bodźca pilotowego

nazywa się zapłonem pilotowym.

10

Ciągłe bodźce energetyczne nie dają zjawiska świecenia, a ich temperatury nie przekraczają

500

o

C. Ich działanie jest rozciągnięte w czasie. Najczęściej spotykanym źródłem ciągłym jest

strumień ciepła emitowany przez elementy grzejne. Inicjacja reakcji spalania przy pomocy

tego typu bodźca nazywa się samozapłonem.

Ze względu na ilość ciepła dostarczoną przez źródło do układu palnego w stosunku do

wartości ciepła spalania jednostki masy materiału można dokonać podziału na źródła

niskoenergetyczne (mogące wytworzyć strumień ciepła rzędu kilku-kilkunastu kJ) oraz

wysokoenergetyczne (o dużej mocy, mogące wytworzyć strumień rzędu nawet MJ)

Kombinowane

ź

ródła

ciepła

stanowią

połączenie

ź

ródła

płomieniowego

oraz

bezpłomieniowego.

Ostatnim elementem czworościanu spalania są rozgałęzione reakcje łańcuchowe.

W reakcjach łańcuchowych produkty przejściowe utworzone w jednym etapie generują

reaktywne produkty przejściowe w etapie następnym, te z kolei generuje produkty reaktywne

itd. Reakcje łańcuchowe wykazują często, choć nie zawsze, złożone równania kinetyczne.

Produkty przejściowe odpowiedzialne za rozwijanie łańcucha reakcji nazywa się nośnikami

lub

inaczej

propagatorami

łańcucha

(np.

rodniki,

jony

czy

neutrony).

W płomieniu przy pomocy różnorodnych technik instrumentalnych stwierdzono obecność

wysokoenergetycznych atomów lub fragmentów cząsteczek (rodników) posiadających

nieparzystą liczbę elektronów lub dwa elektrony niesparowane np. H, O, OH, HO

2

, CH, CH

3

,

C

2

H, C

2

itp. Zatem aby zgasić płomień należy usunąć z niego wolne rodniki odpowiedzialne

za propagację reakcji spalania. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich środków

gaśniczych (np. proszków gaśniczych, halonów).

11

1.3.

Sposoby inicjacji reakcji spalania

Reakcję spalania można zainicjować za pomocą następujących sposobów:

•

zapłonu palnych produktów gazowo – parowych,

10

Ibid.

11

The John Zink Combustion Handbook, Combustion Safety, ed. by Baukal Charles E., assoc. ed. Schwartz

Robert, London: CRC Press; Boca Raton, 2001r.

•

samozapłonu,

•

samozapalenia.

Zapłon polega na zapoczątkowaniu spalania mieszaniny palnej pilotowym (punktowym)

bodźcem energetycznym, w bardzo ograniczonej przestrzeni, wokół której powstaje czoło

płomienia przemieszczające się następnie już samoczynnie na całą pozostałość mieszaniny

palnej.

Samozapłon natomiast ma miejsce bez udziału bodźca pilotowego. Proces ten polega na

równomiernym ogrzewaniu mieszaniny palnej strumieniem ciepła (ciągłym bodźcem

energetycznym) do takiej temperatury, w której zapala się ona samorzutnie w całej masie.

Aby mogło dojść do zapłonu lub samozapłonu niezbędne jest oddziaływanie zewnętrznego

bodźca energetycznego.

Proces samozapalenia, w przeciwieństwie do ww. sposobów inicjacji spalania, zachodzi

bez udziału bodźców energetycznych zewnętrznych. Polega on na samorzutnym nagrzewaniu

się materiałów palnych w wyniku egzotermicznej reakcji substancji palnej i utleniacza, bądź

procesów biologicznych, czy też zjawisk fizycznych. Konsekwencją tej kumulacji ciepła jest

samoistne zapoczątkowanie spalania w nagrzewającej się substancji.

Podatność danej substancji do zapłonu i samozapłonu charakteryzowana jest przez

wartości

temperatury

zapłonu

oraz

temperatury

samozapłonu.

Jednakże

o temperaturze zapłonu mówi się zazwyczaj w przypadku cieczy palnych.

Temperatura zapłonu cieczy jest to najniższa temperatura, do której należy ogrzać ciecz aby

stężenie par nad jej powierzchnią osiągnęło dolną granicę palności (wybuchowości).

Zapalności gazów palnych nie charakteryzuje się przez podanie temperatury zapłonu,

ponieważ ulegają one zapłonowi np. od płomienia, w każdej temperaturze wyższej od ich

temperatury skroplenia.

12

Warunkiem zapłonu gazu jest jego odpowiednie stężenie

w mieszaninie z powietrzem, zawierające się w zakresie między dolną a górną granicą

palności (wybuchowości) (tabela 4.).

12

Pofit-Szczepańska M.: op. cit.

Tabela 4. Granice palności niektórych paliw w warunkach standardowych

13

Granice palności

[% obj. paliwa gazowego]

Paliwo

Dolna

(w powietrzu)

Górna

(w powietrzu)

Dolna

(w O

2

)

Górna
(w O

2

)

Butan, C

4

H

10

1,86

8,41

1,8

49

Tlenek węgla, CO

12,5

74,2

19

94

Etan, C

2

H

6

3

12,5

3

66

Wodór, H

2

4

74,2

4

94

Metan, CH

4

5

15

5,1

61

Propan, C

3

H

8

2,1

10,1

2,3

55

Propylen, C

3

H

6

2,4

10,3

2,1

53

W przypadku materiałów stałych zapłon pilotowy może zachodzić w warunkach

ogrzewania tylko samej jego powierzchni, zatem temperatura zapłonu nie może

charakteryzować całej masy materiału. Wyjątek stanowią tutaj materiały palne stałe ulegające

sublimacji

np.

kamfora,

naftalen.

Literatura

przedmiotu

mówi

na

ogół

o temperaturze zapłonu produktów lotnych palnych uzyskanych w czasie rozkładu

termicznego ciała stałego.

Wartości liczbowe temperatur samozapłonu i samozapalenia dla danego materiału są

sobie równe, lecz w inny sposób są osiągane. Charakteryzują one zarówno ciecze, jak i gazy

oraz materiały stałe.

Temperaturą samozapłonu nazywana jest najniższa temperatura powierzchni grzejnej,

która strumieniem ciepła ogrzewa materiał, w wyniku czego następuje rozkład termiczny i

wydzielenie palnej fazy lotnej o stężeniu umożliwiającym samorzutne pojawienie się

płomienia.

Temperatura samozapalenia jest natomiast określana jako najniższa temperatura

materiału palnego, w której następuje jego samozapalenie w określonych warunkach badania

bez udziału bodźców zewnętrznych.

W tabeli 5. przedstawiono wartości temperatur zapłonu produktów lotnych palnych i

temperatur samozapłonu niektórych materiałów polimerowych

Tabela 5. Przykładowe wartości temperatur zapłonu produktów lotnych palnych i temperatur

samozapłonu (zapalenia) wybranych materiałów polimerowych wg ASTM D 1929

14

Materiał

polimerowy

Temperatura zapłonu lotnych,

palnych produktów rozkładu

termicznego materiału polimerowego

[K]

Temperatura samozapłonu

(zapalenia) [K]

Polipropylen

593

623

Polistyren

623

763

Poli(chlorek winylu)

663

723

Politetrafluoroetylen

833

853

Poli(metakrylan

metylu)

573

703

Bawełna

483

673

Poliuretan (sztywne

pianki PU)

583

688

1.4.

Odporność cieplna i rozkład termiczny materiałów polimerowych

Wśród materiałów budowlanych organicznych większość stanowią polimery, czyli

wielkocząsteczkowe substancje organiczne pochodzenia naturalnego lub syntetycznego. Do

związków pochodzenia naturalnego należą m.in. drewno, bituminy, kauczuk, a także niektóre

oleje. Jednak we współczesnym budownictwie coraz większą rolę odgrywają tworzywa

sztuczne, które na rynku konsumenckim pojawiły się w połowie lat pięćdziesiątych XX

wieku. Od tego czasu, ze względu na m.in. niskie koszty produkcji, są na nim wszechobecne.

W skład tworzyw sztucznych oprócz polimerów wchodzą wypełniacze, barwniki,

stabilizatory, plastyfikatory, antypiryny i różnego rodzaju dodatki wpływające na właściwości

wytrzymałościowe i użytkowe. Różnorodna budowa chemiczna oraz wprowadzone dodatki

warunkują również zachowanie się materiałów polimerowych w środowisku pożarowym,

poprzez modyfikację szybkości wydzielania ciepła i dymu, temperatury samozapłonu, ciepła

spalania itp. Stosunkowo wysokie ciepła spalania polimerów (por. tabela 3), porównywalne z

ciepłem spalania ropy naftowej (40,5 MJ/kg), gazu ziemnego (44 MJ/m

3

), węgla kamiennego

(40,2 MJ/kg), sprawiają, iż materiały polimerowe są dobrymi paliwami.

13

Reed R.J., North American Combustion Handbook, vol. I, 3

rd

ed., North American Manufacturing Company,

Cleveland, OH, 1986 r.

14

Przegląd Pożarniczy 11/2003, Półka M.: Tworzywa sztuczne w pożarze, s.14

Tabela 6. Maksymalne temperatury odporności cieplnej wybranych polimerów

15

Rodzaj tworzywa

polimerowego

Maksymalna temperatura

odporności cieplnej [

o

C]

Bawełna

90

Poliamid

105

ś

ywice epoksydowe

120

Poliwęglan

130

Poliestry akrylowe

155

Poliestroimidy

180

Poliimidy

>180

Pojęciami ściśle związanymi z charakterystyką cieplną materiałów polimerowych są

odporność cieplna (ang. heat resistance) oraz termostabilność (ang. thermal stability).

Odporność cieplna jest określana za pomocą maksymalnej temperatury polimeru,

w której zachowuje on swoje użytkowe właściwości mechaniczne. Dla niektórych

termoodpornych polimerów może przekroczyć ona nawet 180

o

C, jednak w przypadku tych

powszechniej stosowanych (np. bawełny) jest zazwyczaj mniejsza niż 130

o

C.

Termostabilność natomiast określana jest przez temperaturę, w której rozpoczyna się

destrukcja chemiczna materiału polimerowego.

Proces spalania tworzyw sztucznych przebiega w kilku etapach (rys.5).

15

Szlezyngier W.: Tworzywa sztuczne, FOSZE, Rzeszów, 1998 r.

Rys. 3. Uproszczony schemat spalania materiałów polimerowych

16

Pierwszym jest ogrzewanie materiału polimerowego. W tym etapie pod wpływem

ciepła dostarczonego przez zewnętrzny bodziec energetyczny (pilotowy lub ciągły) materiały

polimerowe zmieniają swoje właściwości fizyczne. Tworzywa termoplastyczne mogą

mięknąć, topnieć, odkształcać się termicznie (np. PVC, PMMA). Z kolei tworzywa

termoutwardzalne ogrzewane nie będą mięknąć, lecz ulegną dalszemu usieciowaniu (np.

utwardzona nienasycona żywica poliestrowa).

Kolejnym etapem jest rozkład termiczny. Rozpoczyna się on w momencie osiągnięcia

przez polimer temperatury początku rozkładu termicznego (por. tabela 8.).

Tabela 7. Właściwości termiczne i termokinetyczne wybranych polimerów

17

Materiał polimerowy

Początkowa

temperatura

rozkładu termicznego

[K]

a)

Temperatura, przy

której nastąpił 1%

ubytek masy [K]

a)

Maksymalna wartość

szybkości wydzielania

ciepła [kW/m

2

]

b)

Bawełna

379

488

450

Polietylen o dużej gęstości

506

548

1400

Polietylen o małej gęstości

490

591

800

Polipropylen

531

588

1500

Polistyren

436

603

1100

PMMA

528

555

670

PVC plastyfikowany

396

475

167

PVC nieplastyfikowany

356

457

180

Drewno

413

463

310

a)

otrzymana z krzywych TGA dla próbek 10mg, szybkości ogrzewania 10 K/min w otoczeniu azotu

16

Przegląd Pożarniczy 11/2003, Półka M.: Tworzywa sztuczne w pożarze, s.12

17

Grand A.F., Wilkie Ch.A., Fire retardancy of polymeric materials, M. Dekker Inc., New York, 2000r.

b)

uzyskana w wyniku spalania próbek materiału o grubości 6mm w kalorymetrze stożkowym, w ekspozycji 40 kW/m

2

Rozkład termiczny może przebiegać w otoczeniu powietrza. Natomiast pękanie wiązań w

polimerze w atmosferze gazu obojętnego czy też próżni nazywa się pirolizą. Rozkład

termiczny bądź piroliza jest procesem endotermicznym i nieodwracalnym. Początkowo jest

uwarunkowany ciepłem dostarczanym z zewnątrz, zaś w późniejszej fazie ciepłem

wytwarzanym podczas spalania.

W tabeli 10. porównano ilości monomerów powstałych w wyniku pirolizy różnych

materiałów polimerowych.

Ostatnim etapem spalania polimerów jest zapłon lub samozapłon fazy gazowej

w przypadku spalania płomieniowego polimerów. Do zapłonu może dojść gdy palne produkty

lotne

rozkładu

termicznego

osiągną

w

mieszaninie

z

utleniaczem

stężenie

w obszarze stężeń wybuchowych. Wówczas niezbędny jest jakiś pilotowy bodziec cieplny.

Samozapłon jest możliwy gdy palna mieszanina osiągnie temperaturę samozapłonu chociaż

jednego ze składników przy braku pilotowego bodźca energetycznego.

Niektóre tworzywa polimerowe (np. pianki poliuretanowe) podczas ogrzewania niskich

ekspozycjach cieplnych i ograniczonym dostępie tlenu nie miękną i nie topią się, lecz

wytwarzają porowatą strukturę węglową. Tego typu polimery w obecności ciągłego bodźca

energetycznego ulegną tleniu.

2.

Rozprzestrzenianie płomienia po materiałach palnych

Rozprzestrzenianie płomienia po materiałach palnych jest postrzegane jako

przemieszczanie się frontu płomienia po danych materiałach. W trakcie procesu spalania

próbek, przesuwające się czoło (front) płomienia jest źródłem ciepła podnoszącym

temperaturę powierzchni materiału jeszcze nie objętej spalaniem. Szybkość rozprzestrzeniania

18

Madorsky S.L.: op. cit.

Tabela 8. Ilość monomerów wytwarzanych w czasie pirolizy niektórych

polimerów organicznych w próżni [% całkowitej objętości produktów]

18

Polimer

Zakres temperatur

rozkładu polimeru [

o

C]

Monomer

[%]

Polimetylen

325-450

0,03

Polietylen

393-444

0,03

Polipropylen

328-410

0,17

Poliakrylan metylu

292-399

0,7

Tlenek polietylenu

324-363

3,9

Polistyren

366-375

40,6

Poli(metakrylan metylu)

246-354

91,4

Politetrafluoroetylen

504-517

96,6

Poli α-metyl styren

259-349

100

płomienia zależy w dużym stopniu zarówno od właściwości fizycznych, jak i składu

chemicznego i struktury materiału. Ponadto pewien wpływ mają warunki otoczenia, w

których proces spalania przebiega. Czynniki, które znacząco wpływają na szybkość

rozprzestrzeniania płomieni po powierzchni materiałów stałych, wymieniono w tabeli 11.

Tabela 9. Czynniki wpływające na szybkość rozprzestrzeniania płomienia po materiałach stałych

19

„Czynniki materiałowe”

Chemiczne

Fizyczne

Czynniki otoczenia

procesu spalania

Struktura i skład chemiczny

materiału

Obecność środków

ognioochronnych

Orientacja powierzchni materiału

Kierunek propagacji płomienia

Grubość materiału

Pojemność cieplna materiału

Przewodnictwo cieplne materiału

Gęstość materiału

Geometria usytuowania próbek

Skład atmosfery utleniającej

Temperatura mieszaniny palnej

Zewnętrzne promieniowanie

cieplne

Ciśnienie

Prędkość ruchów powietrza

Struktura materiału

Wpływ struktury i składu chemicznego materiałów palnych na zmianę odporności

termicznej, a tym samym zmianę szybkości rozprzestrzeniania się płomieni zostały

wymienione i krótko scharakteryzowane w podrozdziale 1.5.

Obecność środków ognioochronnych

Stosowanie różnego rodzaju środków ognioochronnych zmniejsza szybkość

rozprzestrzeniania się płomieni. Głównym zadaniem środków opóźniających spalanie

(antypirenów, inhibitorów) jest zwiększenie ognioodporności materiałów polimerowych lub/i

zmodyfikowanie ich zachowania w płomieniu w określonych warunkach użytkowania przy

minimalnym pogorszeniu właściwości użytkowych.

Ś

rodki ognioochronne mają zróżnicowane właściwości i mechanizmy działania

20

.

Wyróżnia się środki o działaniu fizycznym oraz środki o działaniu chemicznym. Mechanizmy

działania fizycznego oparte są na:

•

ochłodzeniu (wszystkie hydraty, wodorotlenki np. Na

2

SO

3

.

2H

2

O, Al.(OH)

3

);

•

tworzeniu warstwy ochronnej (np. gazy obojętne);

•

uwalnianiu

niepalnych

gazów,

które

powodują

rozcieńczenie

tlenu

w środowisku pożarowym (np. wypełniacze);

•

tworzeniu praktycznie niepalnej warstwy skarbonizowanej utrudniającej dostęp

płomieni do materiału palnego.

Efektami chemicznymi działania środków ogniochronnych są:

19

Drysdale D.: op. cit., s. 227

20

Pożarnik, nr 3/2004, Środki bio- i ognioochronne do drewna i materiałów drewnopochodnych

•

inhibicja w fazie gazowej – następuje dezaktywacja aktywnych atomów

i rodników (wiązanie O, H, HO

2

, OH w płomieniu), tworzących się w płomieniu

i decydujących o szybkości spalania;

•

reakcje w fazie stałej (np. zwęglanie powierzchni, pękanie polimeru, topnienie

i oddziaływanie inhibicyjne produktów reakcji);

•

endotermiczne reakcje dehydratacji i rozkładu spulchniacza powodujące obniżenie

temperatury.

Ś

rodki ognioochronne chemiczne z reguły są skuteczniejsze, jednakże rozdział pomiędzy

fizycznym a chemicznym działaniem często jest niewyraźny, oba typy działania się nakładają.

Orientacja powierzchni i kierunek propagacji płomienia.

Badania

21

wykazują, iż płomienie najbardziej gwałtownie rozprzestrzeniają się po

powierzchni pionowej materiału palnego z dołu do góry (tabela 12.).

Tabela 10. Szybkość rozprzestrzeniania płomieni po

paskach papieru filtracyjnego (Magee i McAlevy,1971)

22

Kąt nachylenia próbki

Szybkość rozprzestrzeniania płomieni

[mm/s]

0

o

(poziomo)

+ 22,5

o

+ 45

o

+75

o

+90

o

(pionowo w górę)

3,6
6,3

11,2
29,2

46-74

Przyczyna takiego szybkiego rozprzestrzeniania się płomienia po pionowych próbkach tkwi w

transferze ciepła poprzez konwekcję i promieniowanie. Płomień ma tendencję do

rozprzestrzeniania się pionowo, gdyż jest to kierunek zgodny z wymianą ciepła na drodze

konwekcji. Powierzchnia materiału (paliwa) znajdująca się powyżej płomienia jest silniej

ogrzewana,

w

związku

z

czym

szybciej

ulega

rozkładowi

termicznemu

i zapaleniu i szybciej tworzy palną fazę gazową z powietrzem.

Na rys. 7. przedstawiono, w formie wykresu, zależność pomiędzy kątem nachylenia

spalanego

materiału

(w

tym

przypadku

komputerowych

kart

graficznych)

a szybkością rozprzestrzeniania płomienia. Przy czym kąt -90

o

oznacza kierunek propagacji

pionowo

w

dół,

a

0

o

poziome

ustawienie

próbki.

Jak

można

zauważyć

w przedziale <-90

o

,-30

o

> szybkość propagacji płomienia rośnie bardzo nieznacznie (mieści

się w granicach 1,2-1,3 mm/s). Duży wzrost szybkości rozprzestrzeniania płomienia w dół

21

Drysdale D.: op. cit., s. 230

22

Ibid.

można

zauważyć

dopiero

gdy

kąt

nachylenia

próbki

jest

mniejszy

od 30

o

.

Rys. 4. Szybkość rozprzestrzeniania płomieni po kartach (graficznych)

komputerów w zależności od kąta nachylenia (Hirano, 1974)

23

Grubość materiału.

W literaturze przedmiotu

24

Drysdale podaje, że szybkość rozprzestrzeniania płomienia

jest odwrotnie proporcjonalna do grubości materiału. Doświadczenia, które przeprowadzili

Royal (1970r.), dla materiałów celulozowych o grubości od 0,2-1,55 mm, oraz Moussa

(1973r.)

25

dla materiałów tekstylnych dały podobne wyniki. Jednakże wraz ze zwiększaniem

grubości próbki szybkość rozprzestrzeniania staje się coraz mniej zależna od grubości.

Fernandez-Pello i Williams przeprowadzili w 1974 r.

26

badania na pionowo zawieszonych

arkuszach wykonanych z poli(metakrylanu) metylu, przy kierunku propagacji płomienia w

dół. Analizując wyniki stwierdzili, iż powyżej 10 mm dalsze zwiększanie grubości płyty nie

powoduje znacznego spadku szybkości rozprzestrzeniania płomieni. Uzyskane wyniki

tłumaczone są zmianą dominującego modelu transferu ciepła. W przypadku próbek cienkich

(do 10 mm), gdzie nie ma gradientu temperatur pomiędzy powierzchniami a głębszymi

warstwami materiału, dominuje konwekcja ciepła z tworzącej się fazy gazowej. W próbkach

o większej grubości zaczyna przeważać przewodzenie ciepła w materiale stałym, co jest

procesem zdecydowanie wolniejszym.

Gęstość, pojemność cieplna, przewodnictwo cieplne.

Szybkość rozprzestrzeniania płomieni istotnie też zależy od szybkości ogrzewania

materiału stałego. Na szybkość ogrzewania, z kolei, w dużej mierze wpływa parametr

nazwany pojemnością cieplną. Pojemność cieplna jest iloczynem gęstości (ρ), współczynnika

23

Drysdale D.: op. cit., s.231

24

: Ibid., s. 233

25

Ibid., s. 234

26

Ibid.

przewodnictwa cieplnego (K) i ciepła właściwego (c

p

). Materiał stały nagrzewa się szybciej

im niższa jest jego pojemność cieplna. Analogicznie szybkość rozprzestrzeniania płomieni

jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności cieplnej, a tym samym do gęstości materiału i

współczynnika przewodnictwa. W tabeli 13. podano pojemności cieplne niektórych

materiałów stałych.

Tabela 11. Pojemność cieplna różnych materiałów stałych

27

Materiał

K









⋅

K

m

W

c

p













⋅

K

kg

J

ρ













3

m

kg

K

.

c

p

.

ρ













⋅

⋅

2

4

2

K

m

s

W

Szkło organiczne

Dąb

Sosna

Płyta włóknista izolacyjna

Pianka poliuretanowa

Płyta ze szkła zwykłego

0,19
0,17
0,14

0,041
0,034

0,76

1420
2380
2850
2090
1400

840

1190

800
640
230

20

2700

3,2

.

10

5

3,2

.

10

5

2,5

.

10

5

2,0

.

10

4

9,5

.

10

2

1,7

.

10

6

Drysdale w pracy An Introduction to Fire Dynamics przekonuje, iż szybkość

rozprzestrzeniania płomienia najbardziej zależy od gęstości (w przybliżeniu jest odwrotnie

proporcjonalna do kwadratu gęstości). Przyczyną, dla której tworzywa piankowe czy też inne

materiały palne o małej gęstości gwałtownie rozprzestrzeniają płomień, jest fakt, iż tylko

niewielka masa substancji na powierzchni musi zostać ogrzana aby pozwolić na propagację

płomieni. Porowatość materiału i chropowatość powierzchni materiałów palnych są

czynnikami drugorzędnymi.

Geometria spalającej się próbki materiału.

Gdy płomień rozprzestrzenia się w kierunku poziomym, wpływ na szybkość

rozprzestrzeniania mają wymiary próbki. Płomień będzie rozprzestrzeniał się szybciej jeżeli

wymiary próbki (szerokość) będzie większa, np. szybkość rozprzestrzeniania płomieni po

poziomo ułożonej listwie będzie mniejsza niż po poziomo ułożonej płycie, wykonanej z tego

samego materiału. Jest to spowodowane większą powierzchnią spalania oraz tym, iż

promieniowanie cieplne od czoła płomienia stanie się dominującym sposobem wymiany

ciepła.

Ponadto płomienie szybciej rozprzestrzeniają się na krawędziach materiałów lub

w narożnikach. Jest to szczególnie widoczne w przypadku propagacji pionowo w dół.

27

Drysdale D.: op. cit.

Czynniki otoczenia

Materiały palne zapalają się dużo łatwiej, gwałtowniej rozprzestrzeniają płomień

i palą intensywniej wraz ze wzrostem stężenia tlenu w otoczeniu. Dzieje się tak, gdyż

temperatura płomienia jest większa, dzięki czemu większa ilość ciepła jest przekazywana do

powierzchni

materiału

palnego.

Zależność

pomiędzy

wzrostem

stężenia

tlenu

a zwiększeniem szybkości rozprzestrzeniania płomienia jest najbardziej zauważalna dla

materiałów o większej grubości (powyżej 10mm), szczególnie w przypadku propagacji

płomienia pionowo w dół. Ponadto istnieje zależność pomiędzy szybkością rozprzestrzeniania

płomieni a stosunkiem stężenia tlenu w otoczeniu do pojemności cieplnej atmosfery (C

O

2

/c

g

).

Zauważył to Huggett (1966r.) podczas doświadczeń ze spalaniem w otoczeniu mieszanin

tlenowo-azotowych i tlenowo-helowych. Zmiana pojemności cieplnej (c

g

) atmosfery

powoduje zmianę temperatury płomienia. Płomień będzie znajdował się bliżej spalanej

powierzchni, gdy pojemność cieplna mieszaniny znajdującej się w otoczeniu będzie niższa

niż dla powietrza.

Kolejnym czynnikiem oddziałującym na szybkość rozprzestrzeniania płomieni jest

temperatura spalania mieszaniny palnej. Im jest ona wyższa tym szybciej rozprzestrzenia się

płomień po próbce materiału. Początkowa temperatura materiału palnego może zostać

podniesiona po przyłożeniu zewnętrznego promieniowania cieplnego, np. płomienia. Różnego

rodzaju próby doświadczalne, opisane w literaturze przedmiotu, wykazały, że im większy jest

zewnętrzny strumień ciepła, który wstępnie ogrzewa powierzchnię materiału lub im dłuższe

jest jego oddziaływanie, tym szybciej płomień rozprzestrzeniał się po próbce materiału.

Innym czynnikiem zewnętrznym jest ciśnienie otoczenia. Większe szybkości

rozprzestrzeniania płomieni są zauważalne przy zwiększonym ciśnieniu. Ma to bezpośredni

związek z wzbogaceniem atmosfery w tlen.

Prędkość ruchu powietrza ponad powierzchnią palącego się materiału również ma

wpływ na intensywność palenia i szybkość rozprzestrzeniania płomieni. Ogólnie mówiąc,

ruch powietrza w otoczeniu spalającej się próbki materiału powoduje wzrost tych

parametrów. Zbyt szybki przepływ powietrza może jednak spowodować spadek szybkości

rozprzestrzeniania płomienia lub nawet jego ugaszenie. Jednak, jak podaje literatura

28

, nie

prowadzono szczegółowych badań na temat tej zależności i prędkości krytycznej.

Wymuszony przepływ powietrza ponad powierzchnią materiału palnego daje zatem dwa

efekty: przyspiesza dyfuzję tlenu do strefy spalania (przez co przyspiesza rozprzestrzenianie

28

Drysdale D.: op. cit.

płomienia) oraz schładza powierzchnię paliwa przed frontem płomienia (spowalniając

rozprzestrzenianie). Drugi efekt staje się bardziej znaczący przy wyższych prędkościach

przepływu powietrza w otoczeniu spalającej się próbki materiału.

3.

Wymagania przeciwpożarowe dla elementów wykończenia wnętrz
i wyposażenia stałego w budynkach

Bezpieczeństwo pożarowe budynku określa się jako zespół cech związanych

z usytuowaniem budynku, zastosowanymi rozwiązaniami architektonicznymi, zastosowanymi

materiałami i elementami oraz wyposażeniem w środki techniczne wpływające na

ograniczenie możliwości powstania pożaru, jego rozwoju i skutków.

Wymagania techniczne jakie powinny spełniać budynki ze względu na ich

bezpieczeństwo pożarowe są w Polsce uregulowane prawnie. Odpowiednie akty prawne

wskazują również warunki jakie muszą spełniać elementy wykończenia wnętrz

i wyposażenia stałego w budynkach. Do najważniejszych uregulowań określających te

wymagania należą:

•

Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r.

w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków i innych obiektów budowlanych i

terenów (Dz. U. Nr 80, poz. 563);

•

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków

technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr.75, poz.

690 z późniejszymi zmianami).

Systemy klasyfikacyjne w zakresie reakcji na ogień.

W Polsce obecnie obowiązują dwa systemy klasyfikacyjne materiałów budowlanych w

zakresie reakcji na ogień. Podział wyrobów budowlanych według starej polskiej klasyfikacji

jest zrozumiały w aspekcie obowiązujących od lat i obecnie przepisów techniczno –

budowlanych oraz przeciwpożarowych. Po wejściu do Unii Europejskiej, Polska zobowiązana

została do stosowania europejskiego systemu klasyfikacji przewidującego zaliczenie

wyrobów budowlanych do jednej z siedmiu podstawowych euroklas. Podział na euroklasy nie

został jednak ujęty w żadnym z obowiązujących aktów prawnych. Problem ten w pewien

sposób rozwiązała Instrukcja ITB 401/2004, pozwalająca przyporządkować materiałom

klasyfikowanym wg euroklas obowiązujące w polskich przepisach stopnie palności (ale nie

odwrotnie). Umożliwia to stosowanie w Polsce importowanych z państw Unii Europejskiej

materiałów posiadających charakterystykę pożarową określoną wg euroklas przez

notyfikowane jednostki (znak CE) bez dodatkowych badań dopuszczających w Polsce.

W tabeli 14. przedstawiono sposób przyporządkowania euroklas do określeń

pojawiających się w przepisach obowiązujących w Polsce dla wyrobów budowlanych (oprócz

posadzek).

Tabela 12. Przyporządkowanie klas wyrobów budowlanych w zakresie reakcji na ogień wg PN-EN 13501-

1:2008 określeniom dotyczącym stopnia palności wyrobów budowlanych z wyłączeniem posadzek*

Oznaczenie wg **

Klasyfikacja wg PN-EN 13501-1:2008

Określenie

podstawowe

Określenie

uzupełniające

Klasa

podstawowa

w zakresie

wydzielania

dymu

w zakresie występowania

płonących

kropli/cząsteczek

A1

–

–

Niepalne

_

A2

s1, s2, s3

d0

A2

s1, s2, s3

d1, d2

Niezapalne

_

B

s1, s2, s3

d0, d1, d2

C

s1, s2, s3

d0, d1, d2

Trudno zapalne

_

D

s1

d0, d1, d2

D

s2, s3

d0, d1, d2

E

–

–

Łatwo zapalne

–

E

–

d2

A1

–

–

_

Niekapiące

A2, B, C, D

s1, s2, s3

d0

–

Samogasnące

co najmniej E

–

–

A2, B, C, D

s3

d0, d1, d2

E

–

–

–

Intensywnie

dymiące

E

–

d2

–

F

Właściwości nieokreślone***

* Określenie posadzki obejmuje także wykładziny podłogowe i podłogi drewniane.
** Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać budynki ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75 z 2002 r. poz. 690).
*** Wyroby klasy F uważa się za łatwo zapalne, kapiące, intensywnie dymiące. Jeżeli nie podano klasy
wyrobu przyjąć klasę F.

Jak można zauważyć dla euroklas poniżej klasy A1 wprowadzono pewne kryteria dodatkowe,

które oznaczają:

Podłogi i wykładziny podłogowe również podzielono na klasy główne od A1

fl

do F

fl

(tabela 15.) z kryterium dodatkowym:

•

s1 - z małą emisją dymu,

•

s2 - nie s1

•

s1 - małą emisję dymu,

•

s2 - średnią emisję dymu,

•

s3 - intensywną emisję dymu,

•

d0 - brak płonących kropli lub odpadów,

•

d1 - niewiele płonących kropli lub odpadów,

•

d2 - wiele płonących kropli lub odpadów.

Aby umożliwić zakwalifikowanie danego wyrobu budowlanego do odpowiedniej

euroklasy przewidziano cały szereg norm:

Badania opisane w normach wymienionych w tabeli 16. pozwalają określić następujące

parametry, służące klasyfikacji wyrobów:

•

∆

T [

o

C] – przyrost temperatury próbki,

•

∆

m [%] – ubytek masy,

•

t

f

[s] – czas spalania płomieniowego,

Tabela 13. Przyporządkowanie klas wyrobów budowlanych w zakresie reakcji na ogień

wg PN-EN 13501-1:2008 określeniom dotyczącym stopnia palności posadzek*

Oznaczenie wg **

Klasyfikacja wg PN-EN 13501-1:2008

Określenie podstawowe

Określenie dodatkowe

Klasa podstawowa

Klasa dodatkowa w

zakresie wydzielania

dymu

A1

fl

–

Niepalne

_

A2

fl

s1, s2

Trudno zapalne

–

B

fl

, C

fl

s1, s2

D

fl

, E

fl

s1, s2

Łatwo zapalne

–

E

–

A2

fl

, B

fl

, C

fl

, D

fl

s2

–

Intensywnie dymiące

E

fl

–

–

–

F

fl

Właściwości

nieokreślone***

* Określenie posadzki obejmuje także wykładziny podłogowe i podłogi drewniane.
** Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać budynki ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75 z 2002 r. poz. 690).
*** Wyroby klasy F uważa się za łatwo zapalne, kapiące, intensywnie dymiące. Jeżeli nie podano klasy
wyrobu przyjąć klasę F.

Tabela 14. Zestawienie norm użytych w systemie euroklas

Norma

Tytuł

Poprzedni odpowiednik metody

PN-EN ISO

1182:2004

Badania reakcji na ogień wyrobów

budowlanych – Badania niepalności

PN-93/B-02862

Metoda badania niepalności

materiałów budowlanych

PN-EN ISO

1716:2004

Badania reakcji na ogień wyrobów

budowlanych - Określanie ciepła spalania

PN-81/G-04513

Paliwa stałe i ciekłe. Oznaczanie

wartości opałowej.

PN-EN ISO

11925-2:2004

Badania reakcji na ogień - Zapalność

materiałów poddawanych bezpośredniemu

działaniu płomienia - Część 2: Badania przy

działaniu pojedynczego płomienia

brak

PN-EN ISO 9239-

1:2004

Badania reakcji na ogień posadzek- Część 1:

Określanie właściwości ogniowych metodą

płyty promieniującej

PN-B-02854: 1996 Metoda badania

rozprzestrzeniania płomieni po

posadzkach

PN-EN

13823:2004 (SBI)

Badania reakcji na ogień wyrobów

budowlanych - Wyroby budowlane, z

wyłączeniem podłogowych, poddane

oddziaływaniu termicznemu pojedynczego

płonącego przedmiotu

brak

PN EN 13501-1:

2008

Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i

elementów budynków - Część 1: Klasyfikacja

na podstawie badań reakcji na ogień

brak

PN-EN ISO
13238:2002

Badania reakcji na ogień wyrobów

budowlanych - Sezonowanie próbek i ogólne

zasady wyboru podkładów pod próbki

brak

•

PCS [MJ/kg] lub [MJ/m

3

] – ciepło spalania,

•

FIGRA (Fire Growth Rate) [W/s] – współczynnik rozwoju pożaru, oznaczający
maksymalną wartość ilorazu – szybkości wydzielania ciepła z próbki materiału
i czasu jej ekspozycji cieplnej przy wartości progowej THR 0,2 MJ (0,4 MJ).

•

THR

600s

[MJ] – całkowite ciepło wydzielone w czasie 600s,

•

LFS [-] – boczne rozprzestrzenianie płomienia,

•

SMOGRA (Smoke Growth Rate) [m

2

/s

2

] – współczynnik wydzielania dymu,

oznaczający maksymalną wartość ilorazu – szybkości wydzielania dymu z próbki
materiału i czasu, przy którym ta wielkość była wyznaczona,

•

TSP

600s

[m

2

] – całkowite wydzielanie dymu,

•

Fs [mm] – rozprzestrzenianie płomienia,

•

T

p

[min] – krytyczny czas penetracji ognia w dachu,

•

T

E

[min] – krytyczny czas rozprzestrzeniania ognia po dachu.

CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA

1.

Opis metody badawczej

Metoda badawcza zastosowana w ćwiczeniu nr 13 jest modyfikacją metody

przedstawionej w normie PN-EN ISO 11925-2:2004 Badania reakcji na ogień. Zapalność

materiałów poddawanych bezpośredniemu działaniu płomienia. Część 2: Badanie przy

działaniu pojedynczego płomienia. Wyżej wymieniona norma jest tłumaczeniem, wykonanym

bez jakichkolwiek zmian przez Polski Komitet Normalizacyjny, angielskiej wersji normy

europejskiej EN ISO 11925-2:2002. Modyfikacja badań normowych, polegająca na pomiarze

czasu, po którym płomień na próbce osiągnie wysokość 15cm, pozwala nie tylko na zbadanie

zapalności materiału, ale również na obserwację szybkości rozprzestrzeniania się płomienia

po badanym materiale.

Przeprowadzone badanie pozwala ponadto wykazać czy dany materiał wytwarza

płonące odpady. Norma definiuje płonące odpady jako materiał oddzielający się od próbki

podczas badania ogniowego i nadal płonący. Dla celów normy zapalenie się papieru

filtracyjnego poniżej próbki wskazuje na obecność palących się odpadów. Wprowadzona

została również definicja płomienia ustalonego jako „trwanie płomienia przez czas dłuższy

niż 3 s”.

1.1.

Zakres stosowania metody badawczej

Norma PN-EN ISO 11925-2:2004 przeznaczona jest do badania zapalności wyrobów

budowlanych poddawanych bezpośredniemu działaniu małego płomienia, bez udziału

promieniowania i w odniesieniu do próbek badanych w pozycji pionowej. Jak wcześniej

wspomniano,

modyfikacja

metody

normowej

pozwala

na

badanie

szybkości

rozprzestrzeniania się płomieni po danym materiale. Norma przewiduje również możliwość

dodatkowych badań materiałów, które topią się i kurczą pod wpływem płomienia nie

zapalając się, według odrębnej procedury.

Metoda badawcza wykorzystana w ćwiczeniu nr 13 powinna być stosowana do badania

materiałów zasadniczo płaskich. Wyrób zasadniczo płaski, definiowany przez PN-EN ISO

11925-2, posiada jedną z następujących właściwości:

a)

równą eksponowaną powierzchnię;

b)

równą powierzchnię eksponowaną z nieregularnościami równomiernie na tej

powierzchni rozmieszczonymi, w sposób zapewniający, że:

•

co najmniej 50% reprezentowanego wycinka powierzchni o wymiarach

250 mm x 250 mm znajduje się do 6mm poniżej powierzchni wyznaczonej przez

najwyższe punkty eksploatowanej powierzchni lub;

•

jeśli powierzchnia zawiera pęknięcia, szczeliny lub otwory, które nie przekraczają 6,5

mm szerokości i 10 mm głębokości, a ich całkowita, łączna powierzchnia nie może

przekraczać 30% reprezentowanego wycinka eksploatowanej powierzchni o

wymiarach 250 mm x 250 mm.

Zastosowana metoda badawcza pozwala na badanie próbek o grubości do 60 mm. Metoda

odzwierciedla

również

pewne

aspekty

użytkowania

wyrobów

budowlanych

w warunkach rzeczywistych: jeśli materiał w warunkach zastosowania końcowego mocowany

jest do podkładu, badaną próbkę również należy zamocować do podkładu. Zaleca się przy

tym uwzględnienie typu podkładu, mocowania, itp.

1.2.

Budowa stanowiska badawczego

Do przeprowadzonych badań służy stanowisko badawcze zbudowane zgodnie z

wytycznymi normy PN-EN ISO 11925-2:2004. Stanowisko takie znajduje się

w laboratorium Zakładu Spalania i Teorii Pożarów Szkoły Głównej Służby Pożarniczej (fot.

1.), gdzie zapewnione są następujące warunki środowiska: temperatura (23 ± 5)

o

C, wilgotność

względna (50 ± 20)%.

Fot.1. Stanowisko do badania zapalności materiałów poddawanych bezpośredniemu działaniu płomienia

wg PN-EN ISO 11925-2:2004 w laboratorium Zakładu Spalania i Teorii Pożarów SGSP

Komora spalania (rys. 11.) wykonana jest z płyt ze stali nierdzewnej

z przeszklonymi drzwiami odpornymi na ciepło. Komora zbudowana jest w sposób

zapewniający dostęp i możliwość obserwacji od frontu oraz od strony jednej ze ścian

bocznych. Wentylacja komory odbywa się w sposób swobodny, poprzez kratę

o kwadratowych przekrojach umieszczoną na dnie komory. Krata została wykonana ze stali

nierdzewnej o grubości 1,5 mm i wymiarach powierzchni wolnej 25 mm x 25 mm. W celu

zapewnienia swobodnej wentylacji komora została umieszczona na podporach o wysokości

40 mm, tak aby po bokach komory pozostały prześwity o wysokości 40 mm. Prześwit

pomiędzy podporami w ścianie frontowej jest zasłonięty. Prędkość powietrza mierzona w

kominie komory spalania, przy włączonym palniku pilotowym i otwartym okapie

wentylacyjnym powinna wynosić (0,7 ± 0,1) m/s.

Rys. 5. Komora badawcza

29

Ź

ródłem zapalenia próbki (zapalenie zdefiniowano w normie jako występowanie

płomienia ustalonego, czyli trwającego dłużej niż 3 sekundy)

30

jest palnik, którego

konstrukcja umożliwia stosowanie go w pionie i nachylenie pod kątem 45

o

w stosunku do osi

pionowej (fot. 2.). Palnik został zamontowany na poziomej płycie w sposób umożliwiający

jego równomiernie przesuwanie w płaszczyźnie poziomej, wzdłuż osi środkowej komory

badawczej. Palnik jest połączony z precyzyjnym zaworem pozwalającym na płynną i

dokładną regulację wysokości płomienia.

a)

b)

Fot.21. Palnik a) ustawiony pionowo, b) pod kątem 45

o

Fot. 2. Uchwyt do próbek zawieszony na podporze

29

PN-EN ISO 11925-2:2004 Badania reakcji na ogień. Zapalność materiałów poddawanych bezpośredniemu

działaniu płomienia. Część 2: Badanie przy działaniu pojedynczego płomienia, s. 12

30

Ibid.., s. 6

Jako paliwa użyto technicznego propanu o czystości minimalnej 95%. Ciśnienie gazu

zgodnie z zaleceniami PN-EN ISO 11925-2 mieściło się w zakresie 10÷50 kPa.

Uchwyt do próbek stanowi podwójna rama ze stali nierdzewnej, w kształcie litery U

(fot. 3.). Szerokość ramy jest równa 15 mm, a grubość (5 ± 1) mm. Pozostałe wymiary

przedstawiono na rys.12. Rama zawieszona jest pionowo na podporze (fot. 4.) w sposób

pozwalający na poddanie próbki bezpośredniemu działaniu płomienia wzdłuż jej osi

ś

rodkowej. Obydwie części ramy są połączone ze sobą przy pomocy śrub, co uniemożliwia

deformowanie się próbki oraz jej przesuwanie w czasie badania.

a)

b)

Fot.3. Uchwyt do próbek – widok a) z przodu, b) z boku

Rys. 4. Uchwyt do próbek - wymiary

Odległość pomiędzy dolną krawędzią próbki a płytą umieszczoną na metalowej kracie

w dnie komory spalania powinna wynosić:

(125 ± 10)mm – dla krawędziowego oddziaływania płomienia,

(85 ± 10)mm – dla powierzchniowego oddziaływania płomienia.

Istotnymi elementami stanowiska badawczego są przyrządy do sprawdzania płomienia:

•

przyrząd do sprawdzania wysokości płomienia, który po umieszczeniu we właściwym

miejscu na palniku (fot. 5.) wskazuje wysokość płomienia 20 mm;

Fot.5. Przyrząd do sprawdzania wysokości płomienia

•

ogranicznik palnika przy krawędziowym oddziaływaniu płomienia – usuwalny

element o wysokości 16 mm umieszczany jest na wylocie palnika w celu sprawdzenia

odległości

palnika

od

przewidywanego

punktu

kontaktu

płomienia

z próbką (fot. 6.).

a)

b)

Fot.6. Ogranicznik palnika przy krawędziowym oddziaływaniu płomienia:

a) wygląd zewnętrzny, b) sposób przystawienia ogranicznika do próbki

•

ogranicznik palnika przy powierzchniowym oddziaływaniu płomienia – element w

kształcie stożka, służący do sprawdzenia ustalonej odległości między krawędzią

palnika a powierzchnią próbki (fot. 7.).

a)

b)

Fot.7. Ogranicznik palnika przy powierzchniowym oddziaływaniu płomienia:

a) wygląd zewnętrzny, b) sposób przystawienia ogranicznika do próbki

W skład stanowiska badawczego wchodzą ponadto:

•

miernik czasu umożliwiający pomiar z dokładnością do 1 s,

•

szablon – metalowa płyta o wymiarach 250 mm x 90 mm ułatwiająca przygotowanie

próbek,

•

anemometr o dokładności 0,1 m/s służący do pomiaru prędkości powietrza

w kominie komory spalania,

•

nie barwiony papier filtracyjny o gramaturze 60 g/m

2

i tacka z folii aluminiowej

o wymiarach 100 mm x 50 mm i głębokości 10 mm.

1.3.

Przygotowanie próbek

W celu przeprowadzenia badań dla 1 materiału zgodnie z Normą powinno przygotować

po 6 próbek. (na potrzeby ćwiczenia nr 13 ilość próbek będzie określona przez prowadzącego

ć

wiczenie). Każda z próbek powinna mieć wymiary 250 mm x 90 mm, a jej grubość nie

przekraczać 60 mm Wyroby użyte w badaniach, powinny być badane w warunkach

zastosowania końcowego.

1.4.

Metodyka wykonywania badań

Przed przystąpieniem do wykonywania badania należy sprawdzić wymaganą prędkość

powietrza w kominie komory spalania (0,7 m/s), w ramach ćwiczeń laboratoryjnych ta

procedura jest pomijana. Następnie uprzednio przygotowaną próbkę zamocować w uchwycie

tak, aby jeden krótszy i dwa dłuższe boki przykryte były ramami uchwytu. Eksponowany

koniec próbki powinien znajdować się 30 mm od końca ramki. Kolejnym krokiem jest

ustalenie odległości palnika nachylonego pod kątem 45

o

od badanej próbki. Dokonano tego

przy pomocy odpowiedniego ogranicznika zakładanego na palnik. Wybór ogranicznika zależy

od rodzaju ekspozycji próbki na działanie płomienia (ekspozycja powierzchniowa lub

krawedziowa).

Badanie należy rozpocząć każdorazowo od zapalenia palnika w pozycji pionowej

i ustalenia wysokości płomienia (20 mm) poprzez regulację zaworem i przy użyciu przyrządu

do sprawdzania wysokości płomienia opisanego w poprzednim podrozdziale.

Następnie należy pochylić palnik pod kątem 45

o

i przesuwać go poziomo aż płomień osiągnie

ustaloną pozycję kontaktu z próbką. Dla ekspozycji powierzchniowej płomień przykładać do

punktu na osi środkowej próbki znajdującego się 40 mm nad dolną krawędzią próbki. W

przypadku ekspozycji krawędziowej płomień powinien być przykładany w środku dolnej

krawędzi badanej próbki.

Od momentu zetknięcia płomienia z próbką rozpocząć pomiar czasu. Po 15 s płomień

palnika płynnym ruchem odstawić od powierzchni próbki. Jeżeli próbka się zapaliła i płomień

był podtrzymywany i rozprzestrzeniał się samoczynnie sprawdzić jaką wysokość osiągnął on

po czasie 20 s. Następnie obserwować czy i po jakim czasie płomień osiągnie wysokość 150

mm.

Jeżeli natomiast zapłon próbki nie nastąpił po 15 s kontaktu z płomieniem bądź też

płomień na próbce zgasł, należy zbadać wysokość rozprzestrzeniania płomienia, a następnie

ponownie przystawić palnik do próbki tym razem na czas 30 s. Po odstawieniu palnika od

próbki sprawdzić, czy nastąpił zapłon palnych produktów lotnych i czy proces spalania był

podtrzymywany samoczynnie. Jeśli tak, sprawdzić po jakim czasie płomień osiągnie

wysokość 150 mm.

W przypadku, gdy badany materiał nie podtrzymywał palenia, należy przystawić

palnik ponownie w celu potwierdzenia braku zapłonu. W takim przypadku palnik nie będzie

już odstawiany od próbki aż do końca badania.

Badanie należy uznać za zakończony w momencie gdy płomień osiągnie wymaganą

wysokość 150 mm. W sytuacji gdy płomień zgasł zanim zdążył osiągnąć wysokość 150 mm,

a po ponownym przyłożeniu palnika do próbki nie rozprzestrzeniał się poza strefę

oddziaływania płomienia zewnętrznego, uznać to za warunkowe kryterium zakończenia

badania. Założyć jednak, iż czas przykładania płomienia nie może być krótszy niż 120 s.

Wysokość rozprzestrzeniania płomienia po powierzchni próbki należy ocenić przy

pomocy podziałki o jednostce 1 cm, przygotowanej na ramce podtrzymującej próbkę. Jest to

konieczne ze względu na rozszerzenie przebiegu badań poza obszar przedstawiony w Polskiej

Normie PN-EN ISO 11925-2.

W czasie przeprowadzania badania należy zaobserwować ponadto, czy materiał

podczas spalania wytwarza krople oraz czy krople te są w stanie zapalić inny materiał –

papier filtracyjny umieszczony na tacy poniżej próbki. Odnotowywać również charakter

wytwarzanego przez próbkę dymu (charakterystykę dymu ocenić w sposób wizualny).

Obserwować różnice w intensywności dymienia poszczególnych materiałów.

Wyniki wszystkich obserwacji należy zapisywać w tabelach, które przykładowo

zamieszczono poniżej.

Wyniki badań.

Protokół z badania nr 1: PANELE PODŁOGOWE Z PŁYTY HDF

Numer

próbki

Czy po

15 s

nastąpił
zapłon?

Wysokość
płomienia

po 20 s

[cm]

Czy po

30 s

nastąpił
zapłon?

Czy spalanie

jest

podtrzymy-

wane

samoczynnie?

Czas po jakim

płomień
osiągnął

wysokość

15 cm [s]

Czy w czasie

próby

wytwarzane

były krople

lub odpady?

Czy krople

lub odpady

powodowały

zapalenie

bibuły?

Charaktery-

styka

wytwarzanego

dymu

1.

NIE

2

NIE

NIE

8 cm (po 130s)

NIE

NIE

2.

NIE

2

NIE

NIE

7 cm (po 128s)

NIE

NIE

3.

NIE

2

NIE

NIE

7 cm (po 122s)

NIE

NIE

4.

NIE

2

NIE

NIE

7 cm (po 125s)

NIE

NIE

5.

NIE

3

NIE

NIE

7 cm (po 133s)

NIE

NIE

6.

NIE

2

NIE

NIE

8 cm (po 147s)

NIE

NIE

Ś

ladowe ilości

Ś

REDNIA

ARYTMETYCZNA

2,2

-------------------------------

-----------------------------------------------------

Uwagi:

Próbę przeprowadzono przy ekspozycji powierzchniowej. Płomień nie był

podtrzymywany i nie rozprzestrzeniał się samoczynnie. Badanie przeprowadzano zatem przy

ciągłym dostawieniu palnika do próbki. Otrzymano zbliżone wyniki: próbka pomimo

przystawionego płomienia gasła po czasie 122÷133 s (próbki 1-5) lub rozprzestrzenianie

płomienia było praktycznie niezauważalne (próbka 6). Zasięg płomienia mieścił się w

granicach 7÷8 cm. Panele wydzielały bardzo niewielkie ilości prawie przezroczystego dymu.

wykres wysokości zasięgu płomienia od czasu spalania próbki

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

czas [s]

w

y

so

k

o

ść

p

ło

m

ie

n

ia

[

c

m

]

próbka 1

próbka 2

próbka 3

próbka 4

próbka 5

próbka 6

a)

b)

Fot. 3. Panele podłogowe z płyty HDF - próbka: a) przed badaniem, b) po

badaniu

Wniosek:

Panele podłogowe, badane zgodnie z normą PN-EN ISO 11925-2:2004, spełniają

jedno z kryteriów klasyfikacyjnych Fs<150 mm po czasie 20 s, pozwalających na

zakwalifikowanie ich do euroklasy B

fl

lub niższej (C

fl

, D

fl

, E

fl

). Należy jednak pamiętać, iż

aby jednoznacznie sklasyfikować dany wyrób niezbędne jest przeprowadzanie badania

według PN-EN ISO 9239-1:2004, pozwalającego określić wartość strumienia krytycznego

[kW/m

2

].