Szkoła Główna Służby Pożarniczej
FIZYKOCHEMIA SPALANIA I WYBUCHÓW LABORATORIUM
Ćwiczenie nr : 6 Oznaczanie temperatury zapłonu tworzyw sztucznych	ZSI 28	Imię i nazwisko: asp.sztab. Piotr Kozłowskirski st. asp. Stanisław Trocki asp. Krzysztof Dobrowolski
				Pluton I
Prowadzący: st. kpt. dr M. Półka	Data wykonania: 16.11.2002 r.	Data złożenia: 30.11.2002 r	Ocena :

I. CEL ĆWICZENIA :

Celem ćwiczenia było oznaczenie temperatury zapalenia tworzy sztucznych .

II. CZEŚĆ TEORETYCZNA :

1. Podstawowe pojęcia z dziedziny tworzyw sztucznych .

Tworzywa sztuczne - są to wielocząsteczkowe substancje organiczne ( polimery ) stanowiące podstawowy składnik danego tworzywa. Obok polimerów w tworzywie sztucznym mogą znajdować się wypełniacze , plastyfikatory , barwniki , stabilizatory , antypireny i inne dodatki wprowadzone , na przykład w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej , termicznej , względnie odporności na procesy starzenia lub procesy opóźniające zapoczątkowanie spalania .

Polimery - są to związki wielkocząsteczkowe , których cząsteczki zbudowane są z dużej liczby powtarzających się grup zwanych merami . Substancjami wyjściowymi do otrzymywania polimerów są związki o małym ciężarze cząsteczkowym zwane monowerami .

Rodzaje polimerów :

Polimery ze względu na budowę i zachowanie pod wpływem temperatury dzielą się na: termoplastyczne , termoutwardzalne i chemoutwardzalne .

Polimery termoplastyczne posiadają strukturę liniową lub rozgałęzioną . Ze względu na brak grup funkcyjnych zdolnych do sieciowania nie utwardzają się podczas ogrzewania , zachowując budowę liniową lub rozgałęzioną .

Polimery termoplastyczne mogą być kształtowane wielokrotnie , a ich przerób w wysokich temperaturach nie prowadzi w sposób wyraźny do zaniku plastyczności , ani możliwości do formowania się . Polimery te są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach , topią się i płyną .

Polimery termoutwardzalne to tworzywa , w których pod wpływem podwyższonej temperatury następuje nieodwracalny proces powstawania struktury przestrzennie usieciowionej . Struktura ta może być kształtowana tylko jednokrotnie . Polimery te są nierozpuszczalne i nietopliwe po utwardzeniu oraz znacznie mniej elastyczne , bardziej wytrzymałe mechanicznie i odporniejsze na działanie czynników agresywnych chemicznie od polimerów termoplastycznych .

Polimery chemoutwardzalne w przypadku tych polimerów nieodwracalne sieciowanie przebiega w wyniku reakcji chemicznej ze specjalnymi utwardzaczami .

Otrzymywanie polimerów :

Polimery otrzymuje się z monowerów na drodze polimeryzacji ( addycyjnej lub stopniowej ) oraz polimeryzacji polikondensacyjnej ( polikondensacji ) .

Polimeryzacja jest to proces łączenia się wielu cząstek monomeru bez wydzielenia małocząsteczkowych produktów ubocznych .

Polikondensacja jest to proces łączenia się wielu cząstek substancji wyjściowych w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzielaniem prostego związku małocząsteczkowego jako produktu ubocznego reakcji np. wody H2O , chlorowodoru HCl , amoniaku NH3 .

W związkach wielkocząsteczkowych pod wpływem takich czynników jak energia , zwłaszcza cieplna , oraz utlenianie chemiczne lub działanie czynników agresywnych mogą zachodzić zmiany chemiczne , które spowodują pogorszenie się właściwości fizykochemicznych tworzyw .

Starzeniu polimerów towarzyszą reakcje rozkładu : destrukcja , degradacja i depolimeryzacja .

Destrukcja - w procesie tym następuje nieregularny rozpad polimeru , między innymi do produktów małocząsteczkowych .

Degradacja - w procesie tym zachodzi przypadkowe zmniejszenie masy cząsteczkowej przez rozkład polimeru nie na produkty małocząsteczkowe lecz na fragmenty o dużych , chociaż mniejszych od wyjściowego polimeru ciężarach cząsteczkowych . Metodą degradowania jest np. oddziaływanie mechaniczne - walcowanie .

Depolimeryzacja - jest to reakcja rozkładu , podczas której wydziela się czysty monomer jako produkt rozkładu termicznego związku wielkocząsteczkowego, np. polistyren do styrenu.

Odporność termiczna polimerów .

O podstawowych właściwościach każdego polimeru decyduje przede wszystkim jego masa cząsteczkowa i struktura chemiczna . Przez strukturę polimeru należy rozumieć budowę chemiczną makrocząsteczek , ich przestrzenną konfigurację i wzajemne położenie oraz stopień krystaliczności . Atomy wchodzące w skład makrocząsteczki tworzą łańcuch główny utworzony najczęściej z atomów węgla i przyłączonych do niego podstawników .

Związki wielkocząsteczkowe wykazują różną wytrzymałość łańcucha na rozerwanie i niejednakowo ulegają wpływom temperatury. Jednym z zasadniczych czynników , które wpływają na wielkość rozkładu termicznego jest moc ( energia ) wiązań miedzy atomami .

Na podstawie wartości energii wiązań przyjmuje się , że polimery zbudowane na bazie wiązań wielokrotnych będą bardziej odporne na działanie temperatury niż te z wiązaniami pojedynczymi .

2. Spalanie tworzyw sztucznych .

Spalanie tworzyw sztucznych to proces , który obejmuje wiele przemian fizycznych i chemicznych .

Wyróżnia się trzy podstawowe etapy spalania . Pod wpływem ciepła następuje :

- ogrzewania materiału ,

- rozkład termiczny ( piroliza ) ,

- zapalenie.

Ogrzewanie materiału

Pod wpływem działającego ciepła tworzywa sztuczne ulegają różnym przemianom : mięknięciu , topnieniu lub rozkładowi z wytworzeniem warstwy węgla . Kolejność tych

procesów , poprzedzających wytworzenie fazy lotnej , zależy od właściwości tworzyw.

Różne sposoby wydzielania fazy lotnej jako paliwa z ciała stałego .

W większości rodzajów tworzywa odznaczają się małym ciepłem właściwym i złym przewodnictwem ciepła , co powoduje nagrzewanie się ich powierzchni i zachodzenie powolnych przemian w warstwach położonych głębiej .

Rozkład termiczny ( piroliza ) .

Związki wielkocząsteczkowe pod wpływem energii cieplnej i promieniowania ultrafioletowego reagują z tlenem , a także z innymi związkami chemicznymi . Wynikiem tego może być zmiana składu chemicznego , degradacja lub destrukcja . Powstają produkty zdolne do dalszych , reakcji inicjujące reakcje depolimeryzacji . Temperatura i szybkość pirolizy polimeru zależy od jego termicznej stabilności i reakcji chemicznych rozkładu ( tj. depolimeryzacji , destrukcji i degradacji ) występujących w istniejących warunkach .

Aby tworzywo mogło ulec rozkładowi , musi być dostarczona odpowiednia energia , która wystarczy do rozerwania wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami , z których związki te są zbudowane .

Rozkład termiczny tworzyw sztucznych jest procesem endotermicznym i nieodwracalnym przebiegającym początkowo pod wpływem dostarczonego ciepła z zewnątrz, a następnie ciepła wytworzonego w czasie spalania .

W trakcie rozkładu termicznego mogą się wydzielać następujące produkty :

- gazy palne lub pary , które spalają się w obecności powietrza ( metan , etan , etylen ) ,

- gazy niepalne lub gazy , które nie palą się w obecności powietrza ( dwutlenek węgla ,

chlorowodór , bromowodór , para wodna ) ,

- ciecze ,

- produkty stałe ( węgiel popiół ) ,

• porwane cząsteczki lub stałe fragmenty polimeru jako dym .

Zapalenie tworzyw sztucznych :

Zapalenie tworzyw sztucznych występuje wówczas , gdy powstałe z rozkładu termicznego gazy osiągają stężenie w zakresie granic zapalności i temperaturę równą

temperaturze zapalenia chociaż jednego składnika . Podtrzymywanie procesu palenia jest zależne od ilości ciepła przekazanego z płomienia do polimeru , od ilości gazów palnych , i od ilości tlenu w otoczeniu .

Czynnikiem wspomagającym który determinuje szybkość spalania jest ciepło spalania . Na zapalność tworzywa ma wpływ zawartość atomów wodoru w cząsteczce polimeru . Im liczba atomów wodoru jest mniejsza , tym mniej palnych gazów wytwarza się w czasie pirolizy , zaś pozostałość stała jest większa .

Mechanizm spalania tworzyw sztucznych zależy od budowy tych tworzyw . Inaczej ulegają spalaniu tworzywa termoplastyczne , inaczej termoutwardzalne .

Spalanie tworzyw termoplastycznych - powstała w wyniku rozkładu termicznego faza lotna ulega zapłonowi i spala się płomieniowo .

Spalenie tworzyw termoutwardzalnych - rozkładają się pod wpływem ciepła z wytworzeniem związków niskocząsteczkowych o różnych stanach skupienia. Podczas zapłonu palna faza lotna zapala się płomieniem , a pozostałość popirolityczna spala się bezpłomieniowo ( tli się ) .

III. STANOWISKO :

Przyrząd do oznaczania temperatury zapalenia tworzyw sztucznych składa się z następującego zestawu :

• bloku w postaci okrągłego , aluminiowego walca z 4 otworami na próbki ( gilzy ) z badanym tworzywem . Blok jest ogrzewany elektrycznie tak , aby można było osiągnąć temperaturę w zakresie od 0 do 700 ° C ,

• czterech próbek ze stali kwasoodpornej o znormalizowanych wymiarach , wyposażonych w metalowe przykrywki z otworami , przez które może uchodzić gaz pochodzący z rozkładu ogrzewanego tworzywa ,

• termopary ,

• palnika ,

• termometru elektronicznego ,

• autotransformatora .

IV. PRZEBIEG ĆWICZENIA :

Ćwiczenie polegające na oznaczeniu temperatury zapalenia drewna sosnowego przeprowadzono wg. PN - 69 / C - 89022.

Zgodnie z powyższą normą temperatura zapalenia tworzyw sztucznych ( wyrobów celulozopochodnych ) - jest to najniższa temperatura powierzchni grzejnej , przy której gazowe produkty rozkładu termicznego ciała stałego zapałają się płomieniem od punktowego bodźca termicznego np. płomienia .

Temperatura zapalenia jest wielkością stałą dla danego tworzywa i w danych określonych warunkach badania . Jej wartość zależy od : sposobu i szybkości ogrzewania , stopnia rozdrobnienia tworzywa , źródła zapłonu , czasu oddziaływania .

Istota metody polega na ogrzaniu odpowiednio przygotowanej próbki oraz zapaleniu wydzielających się w wyniku rozkładu termicznego ( pirolizy ) gazów .

Za temperaturę zapalenia przyjęto najniższą temperaturę , w której nad wylotem gilzy z trocinami dębowymi zaobserwowano płomień nie znikający przez co najmniej 5 s .

Podczas ćwiczenia trzy stalowe pojemniki ( gilzy ) o znormalizowanych wymiarach napełniono trocinami sosnowymi . Po nagrzaniu aluminiowego bloku do temperatury 273 ° C w otworze na próbki umieszczono metalowy pojemnik , który poddano ogrzewaniu . W wyniku rozkładu termicznego ( pirolizy ) wydzieliły się gazowe palne produkty , które nie uległy zapaleniu Następnie podwyższając temperaturę poddano ogrzewaniu dwie kolejne próbki , zapisując czas ogrzewania oraz wyniki pomiarów. Dopiero w temperaturze 325 ° C wydzieliły się gazowe produkty spalania, które uległy zapaleniu od przyłożonego płomienia.

Otrzymane wyniki odnotowano w tabeli pomiarowej .

Tabela pomiarowa :

Nr próbki	Masa tworzywa (trociny sosnowe) [ g ]	Temperatura [ ° C ]	Temperatura zapalenia tworzywa [ ° C ]
1	-	273	brak
2	-	312	brak
3	-	322	325

V. WNIOSKI :

Zgodnie z informacja zawartą w " Katalogu właściwości palnych i termicznych materiałów i wyrobów celulozopochodnych , tworzyw oraz włókien syntetycznych" - temperatura zapalenia ( zapłonu ) produktów rozkładu termicznego drewna sosnowego wynosi 260 ° C .

Za temperaturę zapalenia sosny należy przyjąć najniższą temperaturę przy której próbka pali się stałym płomieniem przez co najmniej 5 s .

Podczas przeprowadzonego doświadczenia zapłon gazowych produktów termicznego rozkładu drewna sosnowego uzyskano w temperaturze 325 ° C. .

Drewno jest materiałem niehomogenicznym nieizotropowym tzn., że jego właściwości w tym wszystkie cechy palności zmieniają się w zależności od kierunku ułożenia włókien . Aby wyeliminować tą cechę w doświadczeniu użyto bardzo silnie rozdrobnione drewno ( trociny ) .

Drewno - jest mieszaniną wysokocząsteczkowych naturalnych polimerów z których najistotniejszymi są : celuloza ( ok. 50 % ) , hemiceluloza ( ok. 25 % ) , lignina ( ok. 25 % ).

Termiczna analiza rozkładu drewna pokazuje , że piroliza podstawowych składników następuje w temp. : hemiceluloza od 200 ° C do 260 ° C, celuloza od 240 ° C do 350 ° C , lignina od 280 ° C do 500 ° C .

Reakcja spalania drewna zachodzi w układzie heterogenicznym tzn. , że obok spalania gazowych produktów rozkładu równolegle przebiega spalanie węgla powstającego podczas spalania . Taki sposób spalania drewna powoduje , że proces spalania materiałów zwęglających się jest bardziej złożony niż proces spalania cieczy i gazów . Ze względu na sposób wykonania doświadczenia , w próbce spala się jedynie faza lotna wydzielająca się w wyniku pirolizy . Skład i objętość fazy lotnej zależy od sposobu prowadzenia rozkładu termicznego , temperatury i szybkości ogrzewania . Jednocześnie w chwili ogrzewania drewna następuje stopniowe zwęglanie powierzchni ( zmiana koloru ) . Rozdrobnienie drewna ułatwia migrację lotnych produktów rozkładu , do których należą niskocząsteczkowe , lotne węglowodory i wodór , które w obecności zewnętrznych źródeł ciepła ulegają zapaleniu i spalaniu . Jest to tzw. płomieniowa faza spalania drewna . Główna masa gazowych produktów rozkładu wydziela się w temp. 200 ° C do 400 ° C .

Różne gatunki drewna cechują się różnymi temperaturami zapłonu np. : lipa - 240 ° C , , buk - 250 ° C , dąb 290 ° C , akacja 300 ° C . Wyznaczona przez nas temperatura dla sosny jest w przybliżeniu porównywalna.

Doświadczenie zostało przeprowadzone prawidłowo, ale nie możemy powiedzieć o jego dokładności. Niestety w wyniku wykonania tylko trzech prób nie możemy zawęzić przedziału temperatury zapalenia i w związku z tym jest on niedokładny.

Przeprowadzone ćwiczenie przekonało nas o zdolności polimerów do zapoczątkowania i rozwoju procesu spalania.

W przypadku ciał stałych, a takimi są tworzywa sztuczne w Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych z dnia 3 listopada 1992 w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów z późniejszymi zmianami / Dz. U. Nr 102, poz.507 z dnia 21 września 1995 r./.określa się w ξ25.1 temperaturę zewnętrznych powierzchni urządzeń i zasilających je instalacji, z wyłączeniem instalacji elektroenergetycznych, jak również temperatura wtłaczanego do pomieszczenia powietrza, w zależności od rodzaju występujących w obiekcie materiałów, która nie powinna przekraczać / cyt.,,3). w przypadkach pozostałych ciał stałych łatwo zapalnych 2/3 temperatury samozapalenia, wyrażonej w stopniach Celcjusza (⁰ C)” koniec cytatu /.|

---