Влияние толщины металлической подложки на кинетику тепловыделения при горении тонкослойных полимерных материалов

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

С. Л. Барботько

канд. техн. наук, начальниклаборатории ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"

УДК 614.841.345:629.7.042.2

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКИ НА КИНЕТИКУ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проведено исследование влияния толщины алюминиевой подложки на кинетику тепловыделения полимерных пленок на основе поливинилхлорида и полисульфона. Испытания проводили на проточном калориметре типа OSU при тепловом потоке 35 кВт/м2. Показано, что сувеличением толщины алюминиевой подложки существенно изменяется время наступления пика тепловыделения, а также снижается его интенсивность. При достижении определенной толщины металла, которая зависитотсвойств полимера, воспламенение материала за заданный интервал времени испытаний не происходит и положительное тепловыделение отсутствует. Экспериментальные результаты кинетики тепловыделения удовлетворительно согласуются с расчетными значениями, полученными на основании математической модели послойного прогрева - термодеструкции - горения (тепловыделения) полимерных материалов, что подтверждает работоспособность указанной модели для прогнозирования тепловыделения конструктивных образцов типа полимер - металл.

Ключевые слова: тепловыделение, алюмопласт, поливинилхлорид, полисульфон.

Введение

Одной из важнейших характеристик пожарной опасности полимерных материалов является тепловыделение при горении под воздействием внешнего теплового потока. Этот показатель позволяет рассчитывать скорость развития очага пожара, оценивать необходимый расход средств на пожаротушение. Ограничив максимально допустимые значения тепловыделения материалов и элементов конструкций при заданной величине теплового потока, можно гарантировать заданное допустимое время эвакуации. Требования по ограничению интенсивности тепловыделения введены в авиационные нормы (как отечественные, так и зарубежные), а также предъявляются к материалам, используемым при отделке кораблей, железнодорожных вагонов, мягкой мебели и др. [1-9].

В изделиях, как правило, используются не отдельные материалы, а элементы конструкций, состоящие из пакета соединенных разнородных компонентов, а такие материалы, как лакокрасочные покрытия (ЛКП), вообще не используются без подложек. Одним из простейших вариантов декоративно-отделочных конструктивных элементов (и наиболее распространенным) является тонкослойное полимерное покрытие (полимерная пленка или

ЛКП), нанесенное либо прикрепленное к какой-либо подложке (лист фанеры, текстолита, металла и т. п.). Так, вся внешняя поверхность фюзеляжа самолета изготовлена из алюминиевого сплава и защищена ЛКП, а алюмопласты (пленка, сдублированная с металлом) применяются при изготовлении багажных полок и в отделке интерьера различных транспортных средств.

Для сравнения пожарной опасности различных пленочных материалов и ЛКП их наносят на подложку. Свойства подложки (толщина, теплоемкость, теплопроводность, температура термодеструкции и т. п.) оказывают влияние на процессы прогрева и интенсивность горения покрытия, а следовательно, и на кинетические характеристики тепловыделения. В настоящее время в ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ВИАМ) накоплен большой объем данных по тепловыделению пленочных и лакокрасочных материалов различного состава и стоит задача сопоставления их свойств. С целью уменьшения влияния свойств состава и технологии изготовления подложки сравнение пленочных и лакокрасочных материалов проводится, в основном, на металлическом (алюминиевом) листе.

Известно, что уменьшение толщины полимерной пленки и увеличение толщины металла приводят к повышению тепловых потерь при горении и снижению горючести полимера [10], соответственно, должно вызывать уменьшение тепловыделения при горении элементов конструкций такого типа. Поэтому, с одной стороны, сопоставление данных, полученных на подложках различных толщины и состава, затруднено. С другой стороны, представляет интерес как экспериментальное исследование влияния толщины и вида подложки на характеристики пожарной опасности, так и теоретические расчеты, позволяющие прогнозировать изменение кинетики процесса горения в зависимости от свойств подложки.

В данной статье рассматривается влияние толщины металлической подложки и, частично, химического состава (температуры термодеструкции) полимерной пленки на кинетику тепловыделения металлопластов. Влияние толщины полимерной пленки и состава (теплоемкости и теплопроводности) металлической подложки —тема отдельных работ.

Эксперимент

Металлическая подложка в отличие от полимерной (стеклопластик, фанера и т. п.) при воздействии теплового потока сама не деструктирует, не воспламеняется и не выгорает с выделением тепла. В силу перечисленных причин она является предпочтительной для изготовления типовых образцов, предназначенных для исследования свойств тонкослойных материалов. Наиболее простыми для последующего анализа являются образцы, представляющие собой полимерную пленку заданной толщины, прикрепленную к металлической основе. В данной работе изучалась кинетика тепловыделения пленок на основе поливинилхлорида и полисульфона. В качестве металлической подложки использовали листы из алюминиевого сплава типа Д-16. Во избежание влияния клея на характеристики пожарной

опасности прикрепление полимерной пленки к металлу осуществляли бесклеевым методом — припрессовкой (одновременным воздействием повышенной температуры и давления).

Испытания образцов материалов проводили на модифицированном проточном калориметре типа OSU марки HRR-3, изготовленном "Atlas Electric Devices" (США) и эксплуатируемом в ФГУП ВИАМ с 1998 г. Конструкция прибора соответствует стандарту ASTM E 906 [11]. Подробное описание аппаратуры и методики проведения испытаний дано в Авиационных правилах (АП-25), Приложение F, Часть IV [1]. В соответствии с отечественными авиационными нормами испытания образцов осуществляли при падающем тепловом потоке на образец, равном 35 кВт/м2, в течение 5 мин и вертикальном положении образца.

В ходе экспериментов регистрировали: величину максимальной скорости выделения тепла (пик), кВт/м2; общее количество выделившегося тепла за первые две минуты испытания, кВт-мин/м2; время воспламенения (начала положительного тепловыделения), с; время достижения максимальной интенсивности тепловыделения, с.

При проведении испытаний образцы заворачивали в алюминиевую фольгу толщиной 50 мкм так, что открытой оставалась только экспонируемая поверхность.

Исследовали следующие полимерные пленки:

• поливинилхлоридную декоративно-отделочную авиационную огнезащищенную двухслойную толщиной 230 мкм марки ПДОАЗМ-23 (ТУ 400-1-114-77 с изм. 1-4);

• полисульфоновую толщиной 180-200 мкм, полученную из гранулированного полисульфона марки ПСФ-150 (ТУ 6-06-6-88). Припрессовку пленки к металлической подложке осуществляли по следующим режимам: для пленки ПСФ-150 — температура 254-256 °С, давление 50-80 атм, продолжительность прессования

Характеристики тепловыделения алюмопластов

Состав полимерной пленки

алюминиевой подложки, мм пик тепловыделения, кВт/м2 общее тепловыделение за 2 мин, кВт-мин/м2 время достижения максимума, с время начала воспламенения, с

Поливинилхлоридная 0,05 68 37 15 3

декоративно-отделочная пленка ПДОАЗМ-23 (230 мкм) 1,0 2,0 4,5 62 56 53 33 23 -3 20 59 125 13 39 100

Пленка из полисульфона ПСФ-150 (200 мкм) 0,7 1,0 2,0 43 43 39 17 15 -5 105 117 211 58 75 130

4,5 2 -10 250 >300*

* В процессе эксперимента образец не воспламенялся.

10-20 мин; для пленки ПДОАЗМ-2Э — температура 200 °С, давление 20 атм, продолжительность прессования 10-20 мин.

Толщину металлической подложки варьировали в интервале от 0,7 до 4,5 мм. Кроме того, поливинил-хлоридную пленку испытывали в свободном состоянии (без прикрепления к металлической подложке).

Полимерная пленка, даже завернутая в алюминиевую фольгу, при проведении испытаний под воздействием теплового потока утрачивает свою жест-

кость, происходят коробление поверхности и скручивание, в результате чего изменяются площадь поверхности и условия горения материала. Поэтому кинетика выгорания и тепловыделения образцов пленки, свободно приложенных к металлической подложке, существенно отличается от кинетики образцов с припрессованной пленкой. В связи с этим изучение тепловыделения свободно приложенной к металлической подложке пленки в дальнейшем не проводилось и в данной работе не рассматривается.

н

3

70

60

50

аз

Й 40 К о

3

и о

4 в

30

о № о 5

20

10

-10

—♦— 0,05 мм —— 1,0 мм А 2,0 мм X 4,5 мм

< X х-* х х 5

н

«а

а № и

5

ч

а

о

0

1

(3

и о

Я §

и №

-10

60

120 180 Время, с

240

300

120 180 Время, с

240

Рис. 1. Влияние толщины алюминиевой пластины на кинетику тепловыделения пленок: а — ПДОАЗМ-23

Й<§

0 и

1 = П щ

N й

а ч

К и

я ч:

В 3

Д я

К о

70 60 50 40 30 20 10 О -10

3 //

Г 4

160 140 120

2 3

Толщина, мм

100 о

80

о

60 Рн Я

40

20

0

300

250

200 о

150 ?

и

Он

100 я

50

2 3

Толщина, мм

Рис. 2. Влияние толщины алюминиевой подложки на характеристики тепловыделения пленок ПДОАЗМ-23 (а )и ПСФ-150 (б): 1 — пик тепловыделения, кВт/м2; 2 — общее тепловыделение за 2 мин, кВт-мин/м2; 3 — время достижения максимума, с; 4 — время начала воспламенения, с

Результаты испытаний по определению кинетики тепловыделения образцов полимерной пленки на алюминиевой подложке (алюмопластов) представлены в таблице и на рис. 1 и 2.

При увеличении толщины металлической подложки повышаются затраты тепла на прогрев металла, что приводит к росту продолжительности отрицательного тепловыделения на начальном этапе испытания и замедлению скорости прогрева полимерной составляющей до температуры термодеструкции. В связи с этим происходят сдвиг положительного тепловыделения на более позднее время и уменьшение количества выделившегося тепла на начальном этапе (за первые две минуты испытания).

С увеличением толщины алюминиевой подложки практически линейно возрастают время до начала воспламенения и время достижения максимальной скорости тепловыделения алюмопласта. При некоторой "критической" толщине металлической подложки время до начала воспламенения превышает заданную продолжительность эксперимента, вследствие чего интенсивной термодеструкции, воспламенения и горения пленки по всей экспонируемой поверхности не происходит. Интенсивность тепловыделения такого металлопласта в течение всего времени эксперимента близка к

тепловыделению металлического листа той же толщины.

С увеличением толщины подложки наблюдается небольшое снижение величины пика и при приближении к "критической" толщине максимальная интенсивность тепловыделения резко падает до нулевых значений.

Величина "критической" толщины металлической подложки теоретически должна зависеть от свойств полимера (поверхностной массы, температуры термодеструкции и т. п.), металла (теплоемкости, теплопроводности) и условий эксперимента (продолжительности, величины падающего на образец теплового потока).

Приняв, что зависимость времени начала воспламенения от толщины подложки (при одной и той же толщине полимерной пленки и одинаковом химическом составе пленки и подложки) является линейной функцией, и экстраполируя ее на большие величины толщин, получаем, что для выбранных условий эксперимента (тепловой поток 35 кВт/м2, продолжительность эксперимента 300 с, алюминиевая подложка) для полисульфоновой пленки толщиной 200 мкм "критическая" толщина составляет около 4,5 мм, для пленки ПДОАЗМ-23 — 12 мм.

Теоретические расчеты

Ранее была разработана математическая модель, позволяющая описывать и прогнозировать кинетику тепловыделения полимерных материалов в условиях, имитирующих проточный калориметр ОБИ [12-15]. В этой модели материал (или конструктивный образец) рассматривается как совокупность последовательного ряда тонких слоев, каждый из которых имеет свои определенные физико-химические свойства. В процессе испытания каждый слой постепенно прогревается и передает тепло нижележащему слою. При достижении температуры термодеструкции полимер начинает разлагаться с выделением газообразных продуктов, переходящих в газовую фазу. Образовавшиеся газообразные продукты воспламеняются и сгорают, выделяя тепло.

Используя данную математическую модель, были проведены расчеты по тепловыделению пленок из поливинилхлорида и полисульфона на металлической подложке (чистый алюминий). Принималось, что математически пленка описывается одним элементарным слоем, а металлическая подложка — одним-тремя слоями в зависимости от толщины.

Сравнение расчетных и экспериментальных графиков приведено на рис. 3.

На первом этапе расчеты, выполненные с принятыми ранее эмпирическими коэффициентами,

н

я

§

ч Я а о

ё к

н •8

60

120

180

240

300

Время, с

Рис. 3. Сопоставление экспериментальных и расчетных графиков тепловыделения при горении алюмопластов (полимерная пленка на алюминиевом листе): а — с пленкой ПДОАЗМ-23 толщиной 230 мкм; б — с полисульфоновой пленкой толщиной 200 мкм

для алюмопластов с полисульфоновой пленкой показывали меньшее время задержки до воспламенения, чем это было зафиксировано в экспериментах. Сказанное может быть объяснено тем, что использованная полисульфоновая пленка, в отличие от большинства ранее испытанных материалов, является прозрачной, и тепловой поток, проходя сквозь тонкий полимерный материал, частично отражается от нижележащей алюминиевой подложки, вслед-

ствие чего общее поглощение тепла образцом снижается. Поэтому при последующих расчетах был принят меньший коэффициент черноты поверхности. При его значении 0,6 (вместо принятого на первом этапе 0,9) было получено удовлетворительное совпадение расчетных графиков с экспериментом.

Расчеты, выполненные для алюмопласта с пленкой ПДОАЗМ-23, предсказывают более пологие пики тепловыделения. Существующие расхожде-

ния расчета и эксперимента для данного типа алю-мопласта могут быть объяснены сложным (многокомпонентным) составом декоративно-отделочной пленки (пленка, кроме непосредственно поливи-нилхлорида, содержит практически такое же количество пластификатора, а также инертные наполнители (двуокись титана, мел), антипирен и фторопласт). Использованная математическая модель описывает многокомпонентные составы, находящиеся в одном элементарном слое, только как некоторую среднюю величину, вследствие этого в действительности термодеструкция и горение поли-винилхлоридной пленки начинаются раньше и заканчиваются позже.

Выводы

Проведенные эксперименты показали существенное влияние металлической подложки на кинетические характеристики тепловыделения: с увеличением толщины алюминиевой подложки значи-

тельно изменяются время до начала воспламенения и время достижения максимальной скорости тепловыделения. Существует некоторая "критическая" толщина металлической подложки, для которой в выбранных условиях эксперимента не происходит воспламенения полимерной составляющей и положительное тепловыделение не регистрируется. Эта "критическая" толщина существенным образом зависит от свойств полимерной пленки: для алюмо-пласта с полисульфоновой пленкой она в 3 раза меньше, чем для алюмопласта с поливинилхлорид-ной пленкой.

Расчетные данные на основе математической модели послойного прогрева - термодеструкции -горения (тепловыделения) удовлетворительно совпадают с экспериментом. Данная модель может быть использована для прогнозирования тепловыделения металл-полимерных образцов указанного типа (пленка на металлической подложке).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авиационные правила. Глава 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории : утв. Межгос. авиационным комитетом. — Л. : Изд-во ЛИИ им. M. М. Громова, 1994. — 322 с.

2. Federal Register. —Vol.51,№ 139. — Docket № 24594, Amdt. № 121-189. —P. 26206,DOT/FAA, USA.

3. Certification Specification. Part 25. — Aviation Rulemaking Advisory Committee, 2003.

4. MIL-STD-2202. Fire and Toxicity Test Methods and Qualification Procedure for Composite Material Systems Used in Hill, Machinery, and Structural Applications Inside Naval Submarines. — NAVSEA, 1991.

5. ANSI/NFPA 263-85 (USA). Heat and Visible Smoke Release Rates for Materials and Products.

6. ASTM E 1474-92. Standard Test Method for Determining the Heat Release Rate of Upholstered Furniture and Mattress Components or Composites Using a Bench Scale Oxygen Consumption Calorimeter. — Philadelphia : American SocietyforTesting and Materials, 1992.

7. ANSI/NFPA 264A. Standard Method of Test for Heat Release Rates for Upholstered Furniture Composites and Mattress Using an Oxygen Consumption Calorimeter. — Quincy : National Fire Protection Association, 1990.

8. BS-476. Part II. Method of the Determination Heat Release Rate.

9. ISO 5660-1993. Reaction-To-Fire — Rate of Heat Release from Building Products.

10. Берлин, Ал. Ал. Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести / Ал. Ал. Берлин // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 9. — C. 57-63.

11. ASTM E 906-83. Standard Test Method for Heat and Visible Smoke Release for Materials and Products.

12. Барботько, С. Л. Моделирование процесса горения материалов при испытаниях по оценке тепловыделения /С. Л. Барботько// Пожаровзрывобезопасность. —2007. — Т. 16, № 3. — С. 10-24.

13. Барботько, С. Л. Математическое моделирование тепловыделения при горении полимерных композиционных материалов различной толщины / С. Л. Барботько, О. С. Вольный, Т. Ф. Изотова // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 4. — С. 16-20.

14. Барботько, С. Л. Оценка погрешностей сделанных допущений в математической модели тепловыделения при горении полимерных материалов / С. Л. Барботько // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 5. — С. 19-22.

15. Барботько, С. Л. Прогнозирование изменения кинетики тепловыделения при горении стеклопластика на основе математической модели / С. Л. Барботько // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 5. — С. 23-28.

Материал поступил в редакцию 12.08.09.

©Барботько С. Л., 2009 г. (e-mail: slbarbotko@yandex.ru).