Диссертация (Огнестойкость ограждающих деревянных легких каркасных конструкций с полимерной теплоизоляцией), страница 10

ТЕРМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИМЕРНОЙТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПОНИЖЕННОЙ ГОРЮЧЕСТИПоведение ограждающих легких деревянных каркасных конструкций притепловом или огневом воздействии зависит от природы материала каркаса, облицовок и теплоизоляции, а также условий воздействия. Полимерные пенопластызначительно отличаются от монолитных невспененных материалов по своим физическим и физико-химическим свойствам из-за гетерофазной морфологическойструктуры.

Пенопласты имеют более низкое значение тепловой инерции λρс) посравнению с монолитными материалами. Поэтому, при соблюдении одинаковыхусловий нагрева, тепло аккумулируется в поверхностном слое и температура поверхности ТИМ увеличивается очень быстро [59,60,61].Представляло интерес сравнить поведение ТИМ органической и неорганической природы при динамическом нагреве на воздухе со скоростью 12 град/мин от25 до 900°С, выяснить их формоустойчивость и определить линейную усадку. Длясравнения формоустойчивости разных ТИМ выбраны образцы полимерного пенокомпозита «PENOCOM» с плотностью ρ = 140 кг/м3 и промышленных образцов самозатухающего пенополистирола ПСБ – С 25 (ρ = 15 кг/м3) и ППС – 10 (ρ =15 кг/м3), а также базальтовой волокнистой теплоизоляции Rockwool Light (ρ = 36кг/м3).

Исходный размер образцов пенопластов был 25×15×15 мм., Rockwool Light50×50×50 мм (Рисунок 4.1).Рисунок 4.1 – Измерение геометрических размеров теплоизоляции до испытания61По мере повышения температуры нагрева определяли размеры и потерю массу образцов в результате разложения. На рисунке показано изменение вида и размеров образцов полимерного пенокомпозита «PENOCOM» в процессе испытания(Рисунок 4.2).300 °С500°С600°СРисунок 4.2 – Термоусадка полимерного пенокомпозита ―PENOCOM‖ при динамическомнагреве в муфельной печи со скоростью нагрева 12 град/мин на воздухеНа рисунке 4.3 показано изменение вида и размеров образцов органическойтеплоизоляции «Rockwool scandic light» в процессе испытания.300 °С500°С600°С700°С800°С900°СРисунок 4.3 – Термоусадка базальтоволокнистой теплоизоляции Rockwool Light.На рисунке 4.4 приведены результаты определения линейной усадки исследуемых образцов ТИМ в сравнении с литературными данными [62, 63] для образ-62цов эластичного ППУ* (ρ = 30 кг/м3), минеральной стекловолокнистой* (ρ = 12кг/м3) и базальтовой плит* (ρ = 38 кг/м3).Рисунок 4.4 – Влияние температуры на термоусадку ТИМ: 1.

ПСБ – С25 и ППС -10;2 – ППУ* (ρ = 30 кг/м3); 3 – стекловолокнистая плита* (ρ = 12 кг/м3); 4 - пенокомпозит «PENOCOM» (ρ = 140 кг/м3); 5* –базальтовая волокнистая теплоизоляция (ρ = 38 кг/м3);6 – Rockwool Light (ρ = 36 кг/м3)Установлено, что плавление и усадка пенополистирола самозатухающегоПСБ – С 25 и ППС – 10 наблюдаются при 80 – 110 °С, ППУ* – со 170 °С. Усадкастекловолокнистой теплоизоляции начинает при температуре 430оС, абазальтовой теплоизоляции 650 оС (при 700 оС еѐ усадка составляет - 42 %, а при900 оС - 62 %). При этом стекловолокнистая теплоизоляция теряет 6 % массы к310 оС за счет разложения связующего и далее сохраняет массу постоянной, абазальтовая к моменту плавления теряет 3 % массы и 6 % к 1000 оС.

ОбразецRockwool Light Scandic представляет собой наиболее тугоплавкий ТИМ. Егоусадка начинается при температуре выше 750оС. От базальтоволокнистойтеплоизоляции (рисунок 4.4., кривая 5), он отличается, по-видимому, болеевысоким суммарным содержанием оксидов кремния и алюминия и более низкимсодержанием оксидов щелочноземельныхминеральнойтеплоизоляцииможнометаллов (Са иобъяснитьпереходомMg). Усадкуволоконизкристаллического состояния в аморфное.

Используемый образец пенокомпозита―PENOCOM‖ не плавится. Происходит его усадка и коксование, она начинается63при температуре выше 470 - 480 °С. Влияет и частичное «выгорание» пенококсапри нагревании на воздухе, к 600 °С усадка достигает 30 %. В ограждающейконструкции при испытании при стандартном режиме пожара в огневой печиконцентрация кислорода меньше атмосферной и процесс уменьшения толщины(усадки)полимернойтеплоизоляции«PENOCOM»долженбытьболеемедленным.

По формоустойчивости при нагреве пенокомпозит «PENOCOM»превосходит стекловолокнистую теплоизоляцию.Уменьшение массы в результате термического разложения полимерного пенокомпозита «PENOCOM» при сохранении его объема означает уменьшениеплотности и изменение пористости ТИМ на этом этапе теплового воздействия.Последующая усадка ТИМ в результате пиролиза (выгорания) пенококса приводит к дальнейшему снижению его плотности и увеличению пористости.Когда ТИМ плавится или претерпевает усадку, в ограждающих конструкцияхпоявляется свободное пространство, которое будет влиять на теплопередачу. Иэтот фактор влияния следует учитывать.В малоэтажном строительстве в ЛДКрК пенополистирол самозатухающийприменяется очень часто.

Поэтому было решено наряду с инновационным ТИМ«PENOCOM» изучить дополнительно механизм и определить макрокинетическиепараметры разложения пенополистирола в воздушной и инертной средах. Подходк установлению механизма пиролиза и термоокислительной деструкции полимерных теплоизоляционных материалов пониженной горючести одинаков. Он основан на термогравиметрическом анализе разложения образцов (3 - 4 мг) в динамических условиях нагрева от 25 до 800 °С с постоянной скоростью 5,10,20град/мин., в потоке азота или воздуха (50 мл/мин).Для установления физического механизма разложения пенокомпозита и расчета кинетических параметров использована методология, описанная работе [50].В качестве примера представлены ТГ и ДТГ кривые термоокислительной деструкции (ТОД) исследуемого образца пенокомпозита, полученные при нагревании с постоянной скоростью подъема температуры 5 - 20 град/мин (Рисунок 4.5).64Рисунок 4.5 – ТГ и ДТГ кривые разложения пенокомпозита ―PENOCOM‖в потоке воздуха приразной скорости нагрева: 1 – 5 град/мин; 2 – 10 град/мин; 3 – 20 град/минМожно заметить, что с увеличением скорости нагрева происходит закономерное смещение кривых в сторону более высоких температур.

Незначительныепотери массы (3 – 4%) при нагревании до 110 – 120оС обусловлены испарениемвлаги. Собственно, процесс термоокислительного разложения начинается выше250 – 260оС, и на всем протяжении протекает с выделением тепла, показываянаибольший экзотермический эффект на последнем этапе в интервале 450 –530оС.

Его мы связываем с окислением продукта разложения с повышенным содержанием углерода (пенококса). По-видимому, кислород воздуха ускоряет нетолько деструкцию пенокомпозита на начальных низкотемпературных стадиях,но и его карбонизацию. При достижении температуры 800 оС наблюдается практически полная потеря массы образца.В отсутствие кислорода в окружающей среде при скорости нагрева 20град/мин пиролиз пенокомпозита осуществляется в две стадии: в интервале температур 260-430оС и 430-775оС соответственно.

При нагревании до 800оС остается40% кокса.65Расчет эффективных кинетических параметров разложения веществ по ТГ иДТГ кривым, полученным в динамических условиях нагрева при постоянной скорости повышения температуры, основан на уравнении:ddexp(-E/RT) f(/ (4.1)или после разделения переменных:d/ f() = ( A/) exp (-E/RT) dT(4.2),где  - степень конверсии, т.е.

доля прореагировавшего вещества на рассматриваемой стадии разложения; Т – температура, К; А – предэкспоненциальныймножитель; Е – энергия активации;  - скорость нагрева, град/мин; f () - функция, определяющая физический механизм разложения, индивидуальный законскорости разложения вещества от степени конверсии.mo - mt) /(mo - mk)(4.3),где mo, mt, mk - масса вещества в начальный, текущий и конечный моментвремени разложения. Интеграл левой части уравнения (2) обозначают символомg() и называют интегрированной функцией конверсии.Функции f() или g() для гетерогенных реакций согласно [64] описываютфизическую способность молекулярных частиц или функциональных групп вступать в контакт друг с другом, отражают трансляционный характер процесса.

Внастоящее время установлено 18 функций конверсии. Они подразделены на несколько групп по механизму, контролирующему кинетику гетерогенных процессов термического разложения веществ [48,50]. Выделены группы, отражающиедиффузионный процесс (D); реакции на границе раздела фаз (B); зарождение ядерзародышей (нуклеация) по закону случая и рост зародышей (R); реакции со степенным законом изменения конверсии (Р).Интегрирование правой части уравнения (2) представляет значительныетрудности.

Предложены различные приближенные решения[48,50]. Нами использована наиболее точная аппроксимация Горбачева [50] и, таким образом, применено уравнение: в координатах log [g()/ T2] - 1/T для оценки кинетических параметров.66g( = {ART2/ ( E + 2RT)} exp (-E/RT)(4.4);Для реалистичного описания кинетики разложения пенокомпозита ―PENOCOM‖ необходимо определить соответствующий механизм гетерогенной реакцииразложения, т.е. функцию g(). Каждую стадию разложения пенокомпозита в рассматриваемых температурных интервалах мы анализировали как целую ТГ кривую с  от 0 до 1.Относительно простой и удобный метод определения функции g() был разработан Criado [65].