О пожароопасности полистирольных пенопластов строительного назначения

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

П. П. Гуюмджян

д-р техн. наук, профессор, профессор Ивановского института ГПС МЧС РФ, г. Иваново, Россия

Я,

С. В. Коканин

преподаватель Ивановского института ГПС МЧС РФ, г. Иваново, Россия

А. А. Пискунов

канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры Ивановского института ГПС МЧС РФ, г. Иваново, Россия

УДК 691.17:699.81

О ПОЖАРООПАСНОСТИ ПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Изложены теоретические сведения о воспламенении и горении стирольныхпенопластов, широко применяющихся как для наружной, так и для внутренней отделки зданий и сооружений. Описан процесс окислительной деструкции ячеистой структуры пенополистирола под действием высоких температур. Приведены результаты экспериментальных исследований горения пенополистирольных материалов. На основании анализа литературных источников и представленных экспериментальных данных сделан вывод, что пенополистирол обладает высокой степенью пожароопасности.

Ключевые слова: пенополистирол; строительство; теплоизоляция; пожароопасность; токсичность; окислительная деструкция; горение.

Введение

Полимерные пены широко используются в различных областях современной жизни. Превосходные эксплуатационные характеристики пено-пластов наряду с их низкой полимероемкостью и разнообразием форм и типов вызывают высокий интерес к этому виду материалов.

Полимерные пены — это сложные гетерофаз-ные системы с большой площадью поверхности. Определенные особенности ячеистой структуры наряду с химической природой полимерной матрицы и дисперсной фазы определяют физико-механические характеристики этих материалов, включая их стойкость к воздействию пламени. Подавляющее большинство полимерных органических материалов — горючие вещества, представляющие повышенную опасность вследствие их широкого использования [1].

Большинство пожаров происходит там, где обычно сконцентрированы полимерные материалы: в зданиях и сооружениях, а также на транспорте [2]. Снижение ущерба от пожаров непосредственно связано с уровнем противопожарной защиты. При этом важной мерой является оценка пожароопасности полимерных материалов, их рациональное приме© Гуюмджян П. П., Коканин С. В., Пискунов А. А., 2011

нение и разработка малодымных нетоксичных продуктов с более низкой горючестью [1].

В данной статье рассмотрены вопросы воспламенения и горения стирольных пенопластов.

Применение пенополистирола в строительстве

Полистирольный пенопласт, или пенополисти-рол (ППС), используется как для наружной, так и для внутренней отделки зданий и сооружений. Для достижения оптимальных условий эксплуатации наружную изоляцию, выполненную из пенополисти-рола, защищают от атмосферных воздействий, армируя штукатуркой или вентилируемой облицовочной оболочкой. Широко применяется полистирол и в качестве теплоизоляции межэтажных перекрытий, крыш и фундаментов, а также для устройства несъемной опалубки.

Изделия из пенополистирола обладают высокой энергоэффективностью, ухудшающейся в процессе эксплуатации за счет деструкции самого материала и под воздействием внешних факторов [3]. Однако одним из главных его недостатков является высокая пожароопасность и токсичность. Актуальность исследований поведения данного материала в услови-

ях чрезвычайных ситуаций не вызывает сомнений. В резолюции, составленной по итогам круглого стола РААСН "Проблемы и перспективы применения пенополистирола в строительстве" (г. Москва, 2011), было рекомендовано провести глубокие исследования свойств материала, первостепенным из которых является пожароопасность, в том числе токсичность продуктов горения, и применяемых для его производства химических компонентов с целью разработки требований к его использованию в стройиндустрии [4-6].

Горение пенополистирола

Пенополистирол относится к синтетическим материалам, которые характеризуются повышенной горючестью. Он способен сохранять энергию от внешнего источника тепла в поверхностных слоях [1]. В результате он быстро воспламеняется и распространяет огонь, инициируя усиление пожара. Ячеистая структура материала обуславливает его способность к плавлению, которое характеризуется большой продолжительностью и скрытым характером [1].

При оценке уровня пожароопасности плавление необходимо учитывать в первую очередь, потому что его продукты сгорания являются высокотоксичными. Процесс плавления трудно обнаружить внутри материала и принять соответствующие меры для его подавления, что приводит к повторному возгоранию.

Открытопористая структура пенополистирола ускоряет прохождение горячих газов через открытые каналы полимерной матрицы, а его деструкция, развивающаяся под действием внутренних и внешних факторов, способствует этому процессу [3].

Во время горения процесс окисления начинается при определенных условиях, которые связаны с энергетической системой и теплообменом со средой. Они возникают, как только скорость выделения тепла превысит скорость его отвода из зоны реакции. Если теплопотери не превышают критического уровня, то условия для окислительного процесса будут благоприятными.

Горение пенополистирола в воздушной среде происходит за счет газовой фазы или по гетерогенному механизму [1]. В пористой структуре пенополистирола содержится большое количество воздуха, однако его объем недостаточен для полного сгорания полимера. Для полного сгорания в воздухе 1 м3 пенополистирола он должен иметь плотность 100 г/м3 [7]. В случае гетерогенного горения стабильный процесс возможен только при соотношении воздуха и топлива, равном нескольким процентам от сте-хиометрического соотношения [8].

Таким образом, изменение условий, таких как температура и концентрация кислорода, его давление на поверхности полимерной матрицы, будет влиять на процесс окислительной реакции стироль-ных пенопластов.

Экспериментальные исследования горения пенополистирола

Исследования показывают, что при нагревании полистирола до температуры 400 °С происходит его деполимеризация (табл. 1) [9].

Как видно из данных табл. 1, основным продуктом разложения пенополистирола является жидкая фаза; газообразные же продукты разложения составляют лишь незначительную часть [9].

Согласно исследованиям ФГУ ВНИИПО МЧС России [10] сопоставление основных результатов оценки горючести материалов из пенополистирола стандартными методами испытаний позволяет сделать вывод о том, что все ППС относятся к горючим материалам и имеют высокую теплоту сгорания (более 39 МДж/кг) [11]. При испытании по ГОСТ 12.1.044-89* потери массы Дт пенополистирола практически составляют 100 % масс. [10]. Газообразные продукты его горения имеют достаточно высокую температуру Ттах, которая достигается за сравнительно небольшое время тт тах. Кислородный индекс ППС имеет достаточно низкое значение (менее 20 %) (табл. 2).

Линейная скорость распространения огня по поверхности пенополистирола составляет 1 см/с, что объясняет чрезвычайно высокую скорость распространения огня в зданиях, в которых для утепления применяется пенополистирол (см. рисунок). Удельная массовая скорость выгорания пенополистирола марки ПСБ — 2,19 кг/(мин м2).

Вследствие большой скорости горения пенопо-листирола и высокой удельной теплоты его сгорания теплота высвобождается при пиковой температуре 1500 °С за относительно малое время. Согласно опытным данным [12] спустя 2 мин с начала горения пе-

Таблица 1. Состав продуктов разложения полистирола

Температура, °С Масса навески Количество сконденсированной жидкой фракции Количество газов

материала, г г % и паров, % масс.

300 13,3 В течение 20 мин

потеря массы менее 2 %

400 9,0 7,51 83,4 -

500 15,3 14,96 97,6 0,29

600 14,45 13,79 95,4 3,0

700 19,73 19,17 97,4 1,6

800 19,72 19,23 97,4 2,1

Таблица 2. Данные оценки горючести пенополистирольных утеплителей различных типов, полученные в экспериментах по ГОСТ 12.1.044-89* и ГОСТ 30244-94

Теплота сгорания, МДж/кг ГОСТ 12.1.044- 89* ГОСТ 30244-94

Материал Ат, % Т °С шах' ^ ТТшах, с Т, °С Степень повреждения по длине, % Ат, % Время самостоятельного горения, с Наличие горящих капель

ПСБ 41,6 99,7 640 50 170 100 86 +

ПСБ-С 41,2 99 610 54 120 85 48 -

ЭППС 95 660 80

WALLMATE 96 650 55

8ТУЯОРОЛМ 40,3 148 42 29 10 +

8ТУЯОБиЯ 97 675 53

Пеноплэкс 39,4 98 648 80 90 38 15 +

Примечание . Многоточие означает, что показатели не определены или отсутствуют в справочной литературе.

нополистирола достигается температура 1200 °С. При этом горение сопровождается обильным выделением (267 м /м ) густого черного дыма.

Согласно исследованиям ФГУ ВНИИПО МЧС России во время испытания материала, например из экструдированного полистирола, при воздействии на него пламени горелки на его поверхности образуется расплав, горящие капли которого можно наблюдать в течение 10-15 с на первой-второй минутах эксперимента. Несмотря на то что остальные параметры горючести могут соответствовать значениям, установленным для группы Г1 (вследствие высокой ползучести материала под воздействием пламени), наличие горящих капель расплава однозначно относит такой материал к группе Г4 (сильногорючие материалы).

При испытаниях пенополистирольных плит ПСБ, ПСБ-С в ряде случаев не наблюдалось появления горящих капель расплава, однако по остальным параметрам эти материалы относятся к группе горючести Г или Г4.

Исследования процессов термодеструкции и термоокисления методами ТГА и ДГА [10] различных марок материала ППС позволили получить информацию о температурных диапазонах и скоростях терморазложения материала, динамике тепловыделения или поглощения тепла (в процессах термоокисления, пиролиза, плавления и др.), а также определить характерные температурные точки тепловых процессов.

Анализ характеристик термодеструкции, полученных по кривым термического анализа, позволяет установить, что все материалы ППС имеют коксовый остаток 2-5 %, высокую скорость терморазложения (до 45 %/мин) в интервале температур 3 50500 °С и малую скорость тепловыделения. Температура начала интенсивного разложения составляет

Распространение огня по фасаду здания, утепленного пено-полистиролом [13]

320 °С, что свидетельствует об одинаковой потенциальной пожарной опасности материалов [10].

Для устойчивости материалов на основе пено-полистирола к возгоранию в их состав вводят анти-пирены — препараты, предохраняющие полимеры и другие конгломераты органического происхождения от воспламенения и самостоятельного горения.

Самозатухающий пенополистирол в пожарном плане ничем не отличается от обычного и в условиях реального пожара также подвержен горению [14, 15].

Пенополистирол имеет низкую теплостойкость и уже при температуре выше 80 °С (теплостойкость по Мартенсу составляет 80 °С) начинает необратимо терять форму. Введение в пенополистирол анти-пиренов (самозатухающий пенополистирол) уменьшает вероятность случайного возгорания, но не влияет на его теплостойкость. Поэтому главная опасность для конструкций стен, утепленных пенополистиро-лом, заключается в том, что всего двухчасовое термическое (100-110 °C) воздействие приводит к полной деструкции пенополистирола с уменьшением его объема в 3-5 раз [16].

Все термопластичные пластмассы в течение 3 мин способны воспламеняться от лучистой энергии интенсивностью 19,8 кВт/м2. Если пенополистирол защищен гипсокартонной плитой (ГКЛ) толщиной 8 мм и смежной с ней древесно-волокнистой плитой (ДВП) толщиной 4 мм, то примерно через 22 мин после возгорания внутри помещения создаются условия для самовоспламенения пенополистирольного утеплителя внутри стеновой конструкции. Если пе-нополистирол защищен асбоцементным листом толщиной 6 мм, то примерно через 7-8 мин под воздействием лучистой энергии пламени он прогревается до температуры самовоспламенения. По результатам исследований и опытов [17] установлено, что под слоем цементно-песчаной штукатурки толщиной 25-30 мм через 16 мин после возгорания пено-полистирол прогревается до температуры 200 °С и выше. В трехслойных железобетонных панелях с утеплителем из ПСБ-С и защитным слоем из мелкозернистого тяжелого бетона толщиной 50 мм уже через 15 мин пожара происходит оплавление пенопо-листирола на значительную глубину, а через 45 мин — его полное расплавление [18].

В результате образовавшейся температурной волны пенополистирольный утеплитель на значительной площади конструкции может быть полностью уничтожен, так как процессу термодеструкции пенополистирола предшествует этап его пиролиза, развивающийся на начальной низкотемпературной фазе пожара и сопровождающийся обильным истечением летучих соединений [19].

При этом даже не затронутые огнем конструкции стен соседних квартир, поглотив часть продуктов разложения пенополистирола, окажутся безвозвратно загрязненными и непригодными для дальнейшего проживания.

Для совершенствования методики испытаний на горючесть ФГУ ВНИИПО МЧС России разработаны изменения и поправки к ГОСТ 30244-94, в том числе касающиеся оценки результатов испытаний плавящихся материалов. Так, при испытании материалов различных групп горючести не допускается:

• Г1-Г3 — образование горящих капель расплава;

• Г1 и Г2 — образование капель расплава;

• Г1 — оплавление образцов.

Наличие горящих капель расплава и оплавления фиксируют в протоколе испытаний, а материал относят к следующей по порядку группе горючести [10].

Вступивший в силу ГОСТ 31251-2010 существенным образом изменил методологическую основу проведения испытаний стен зданий на пожарную опасность. В частности, контроль степени горючести используемых материалов теперь должен осуществляться только по европейскому стандарту [11], который автоматически уравнивает пожарно-тех-нические характеристики как горючих, так и самозатухающих разновидностей пенополистирола. Кроме того, новый нормативный документ однозначно требует, чтобы наружные стены здания с обеих сторон были выполнены из негорючих материалов, удельное значение пожарной нагрузки в любом помещении не превышало 700 МДж/м2 и условная продолжительность пожара была менее 35 мин. Все эти ограничения равносильны запрету на применение пенополистирола для утепления фасадов зданий.

Европейские стандарты в первую очередь отталкиваются от оценки низшей теплоты сгорания испытуемого материала, которая для пенополисти-рола чрезвычайно высока (до 41,6 МДж/кг). Поэтому в Европе пенополистирол относится к самому горючему классу строительных материалов — Class E (соответствует Г4 в отечественной классификации) [19].

Выводы

Представленный в статье анализ пожарной опасности пенополистирола строительного назначения свидетельствует о высокой степени горючести данного материала. Самозатухающий пенопо-листирол в условиях реального пожара также подвержен горению. Скорость распространения огня в зданиях, в которых для утепления применяется пенополистирол, чрезвычайно высока. Горение пенополистирола сопровождается обильным выделением ядовитого густого черного дыма, который содержит угарный газ (CO), различные аэрозоли, свободный стирол и бензальдегид. Кроме того, при разложении антипиренов, вызванном воздействием высоких температур, образуются опасные вещества.

Согласно вступившим в силу нормативным документам, касающимся пожароопасности полимерных материалов и методов их контроля по данным показателям, пенополистирол не может использоваться для утепления фасадов зданий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клемпнер Д. Полимерные пены и технологии вспенивания // Пер. с англ. ; под ред. А. М. Чеботаря. — СПб : Профессия, 2009. — 600 с.

2. Brushlinski N. N., Sokolov S. V., Wagner P. World Fire Statistics at the End of the 20th Century // Fire and Explosion Safety. — 1999. — № 6. — P. 59-69.

3. Гуюмджян П. П., Коканин С. В. Влияние температуры, влажности, ультрафиолетового и инфракрасного облучений на старение пенополистирола // Строительство и реконструкция. — 2010. — № 6. — С. 77-83.

4. Проблемы и перспективы применения пенополистирола в строительстве : итоги круглого стола / Ведущий чл.-корр. В. Г. Гагарин // РААСН. URL: http://www.raasn.ru.

5. Пена дней / Строительный эксперт. — 2011. — № 03-04 (315). — С. 13-15.

6. Проблемы и перспективы применения пенополистирола в строительстве (информация) // Строительные материалы. — 2011. — № 3.—С. 68-69.

7. WoolleyW. D. Fire and Cellular Polymers // Cellular Polymer. — 1985. — No. 4. — P. 81-115.

8. OhlemillerT. J. Modelling of Smoldering Combustion Propagation // Progr. Energ. Combust. Sci. — 1985. — No. 11. — P. 227-310.

9. Щеглов П. П., Иванников В. Л. Пожароопасность полимерных материалов. — М.: Стройиздат, 1992. — 110 с.

10. ЕтумянА. С., Молчадский О. И., Константинова Н. И. Пожарная опасность теплоизоляционных материалов из пенополистирола // Пожарная безопасность. — 2006. — № 6. — С. 66-68.

11. EN ISO 1716:2002. Reaction to Fire Tests for Building Products. — Determination of the Heat of Combustion. — Brussels, 2002.

12. Мадорский Л. Термическое разложение органических полимеров // Пер. с англ.; под ред. С. Р. Рафикова. — М. : Мир, 1967. — 328 с.

13. БаталинБ. С., Евсеев Л. Д. Пенополистирол: низвержение мифа // Строительный эксперт. — 2010. — № 09-10 (306). — С. 13-15.

14. Жуков Д. Д. Об актуальных проблемах применения новых строительных технологий // Строительство и недвижимость. — 2004. — № 11.

15. Корольченко А. Я. Пожарная опасность материалов для строительства. — М. : Пожнаука, 2009. — 217 с.

16. Варианты включения новых веществ в Протокол по стойким органическим загрязнителям : доклад сопредседателей Целевой группы по стойким органическим загрязнителям / Европейская экономическая комиссия ООН, 47-я сессия ECE/EB.AIR/WG.5/2010/8, Женева, 30августа - 3 сентября 2010 г. URL : http://www.unece.org.

17. An Overview of Alternatives to Tetrabromobisphenol A (TBBPA) and Hexabromocyclododecane (HBCD). — University of Massachusetts Lowell, March 2006.

18. Data on manufacture, import, export, uses and releases of HBCDD as well as information on potential alternatives to its use : The technical work on this report has been led by IOM Consulting, supported by BRE, PFA and Entec under framework contract ECHA/2008/2.

19. Пенополистирол / Википедия — свободная энциклопедия. URL : http://ru.wikipedia.org.

Материал поступил в редакцию 23 мая 2011 г.

Электронные адреса авторов: s.kokanin@yandex.ru: 8691aap@mail.ru.