Огнестойкость строительных экструдированных ПВХ профилей

Многие строительные эксперты СНГ на семинаре в рамках недавней строительной выставки "Mosbuild-99" в числе прочих вопросов указывали на разнобой в нормативах пожарной безопасности полимерных строительных профилей в странах СНГ, что создает возможность недобросовестной конкуренции между западными импортерами в регионы бывшего СССР (особенно по оконным ПВХ профилям), неразбериху в реэкспорте. Самое главное, отсутствие единых нормативов дезориентирует потребителя, рождает у него ничем необоснованное недоверие к полимерным строительным профилям и в конечном итоге тормозит развитие передовых технологий в отечественной промышленности стройматериалов.


А так как единых нормативов нет, национальные контрольные органы для испытаний таких материалов применяют иногда неадекватные методики, не дающие рядовому потребителю уверенности в купленном им товаре (ПВХ окно, дверь, ПВХ обшивка стен, фасадов и т.п.)

В таком случае следует помнить, что же такое огнестойкость полимеров в строительстве, и не забывать, что горят и выделяют вредные вещества почти все стройматериалы, как традиционные, так и синтетические.

Огнестойкость полимеров - способность полимеров противостоять действию огня. Характеризуя полимеры по огнестойкости, часто говорят об их горючести (возгораемости). Методы испытания огнестойкости полимеров настолько разнообразны, что сравнительная оценка полимеров по этому показателю на основании данных разных стран очень затруднительна. Кроме того, ошибка эксперимента, как правило, довольно высока. Нередко одни и те же полимеры на основании результатов испытания по одному из методов относят к негорючим, по другому - к самозатухающим или даже горючим.

Для оценки огнестойкости полимеров имеется несколько методов. По одному из них (калориметрическому) определяют показатель возгораемости Q1/Q2, где Q1 - количество тепла (в кдж пли ккал), выделившееся при горении образца полимера, Q2 - количество тепла, затраченное на поджигание образца. В соответствии со значением этого показателя полимеры делят на негорючие, или огнестойкие (Q1/Q2<0,1), трудносгораемые (0,1-0,5) и горючие (>0,5).

Показатели возгораемости ряда полимерных материалов: политетрафторэтплен - 0,1; сополимер винилиденфторида с гексафторпропиленом - 0,13; фторкаучук - 0,16; текстолит на основе фенолоформальдегидной смолы - 1,39.

По другому методу огнестойкость характеризуют кислородными индексами воспламеняемости (минимальным содержанием кислорода в азотно-кислородной смеси, при котором полимер еще может загореться).

Кислородные индексы ряда полимеров таковы (в %): полиэтиленоксид - 15; полиметилметакрилат - 17,3; полиэтилен - 17,4; полистирол - 17,4; хлорированный полиэтилен - 21,1; поливинилфторид - 22; полифениленоксид - 28; полиамид - 29; поливинилиденфторид - 43; поливинилхлорид - 49,1; поливинилиденхлорид - 60; политетрафторэтилен - 9,5; кислородные индексы огнестойких полимеров близки к 100%, или к 1, если выражены в мольных долях.

Существует ряд приближенных методов оценки огнестойкости полимеров. При этом о принадлежности полимера по горючести (то есть по способности под воздействием огня и высоких температур гореть с выделением тепла) к тому или иному типу судят по следующим показателям: времени самостоятельного горения (тления) образца и потере его массы и скорости распространения пламени. Первые показатели определяют одним из общепринятых экспресс-методов, так называемым методом "огневая труба" (образец полимера располагают в трубе вертикально). Полимеры считают горючими, если потеря массы при испытании этим методом превышает 20%, а продолжительность самостоятельного горения составляет 60 сек.

Второй показатель определяется длиной сгоревшей (за 2 мин) части образца, который располагают горизонтально и поджигают с одного конца. Из группы горючих материалов, испытываемых по этому методу, выделяют легковоспламеняющиеся материалы, у которых горение распространяется по всей длине образца, то есть на 300 мм.

За рубежом огнестойкость полимеров оценивают по скорости горения образца, а также по времени его самостоятельного горения после нескольких последовательных поджиганий. При определении огнестойкости полимеров некоторыми методами используют образцы большого размера. Так, метод А8ТМ Е84-61 используется для определения строительных материалов и конструкций. Для полной характеристики возгораемости полимерного материала определяют температуры воспламенения, тления, самовозгорания, самонагревания, а также способность к дымовыделению, образованию раскаленного расплава и токсичность продуктов разложения.

При горении полимеров протекает ряд химических и физических процессов. Для удобства рассматривают три зоны: 1) газовый слой; в нем происходит главным образом термоокислительная деструкция продуктов разрушения поверхностного слоя полимера и наблюдается интенсивный массо- и теплообмен;

2) поверхностный слой полимера, подверженный действию пламени; 3) внутренние слои полимера, прилегающие к поверхностному слою; здесь протекает в основном термическая деструкция полимера. От природы продуктов, образующихся при пиролизе в третьей зоне, скорости диффузии их к поверхности зависит дальнейшее протекание процессов воспламенения и горения.

На основании результатов изучения процессов горения различных полимеров установлено: самогашение материала может происходить вследствие испарения с его поверхности большого количества негорючих частиц или образования на поверхности защитных и полимерных пленок, не поддерживающих горения; фосфор в составе полимера способствует увеличению доли эндотермических процессов ("охлаждению" материала) и образованию в ряде случаев прочного кокса (чем быстрее коксуется полимер, тем выше его огнестойкость), введение галогенов приводит к понижению температуры пламени в газовом слое у поверхности полимера и к ингибированию воспламенения; огнестойкость галогенсодержащих полимеров в зависимости от природы галогена уменьшается в ряду: Вг > Сl > F; совместное присутствие в полимерном материале атомов фосфора и галогена (особенно брома), галогена и сурьмы оказывает синергическое действие на повышение огнестойкости (при определенном соотношении соответствующих пар); у близких по химическим признакам полимеров огнестойкость повышается с увеличением термостойкости; огнестойкость определяется химической структурой полимера, например, при введении ароматических звеньев, замене группировок Р - О - С на Р - С, при уменьшении длины алкильной цепи у атома фосфора, огнестойкость полимера возрастает; с повышением плотности упаковки макромолекул огнестойкость у близких по химической природе полимеров возрастает. К огнестойким или негорючим относятся следующие группы полимеров: неорганические и некоторые элементоорганические; органические, содержащие в макромолекуле ароматические или гетероциклические группировки; полностью фторированные, галогенфторированные или сполна галогенированные.

Огнестойкие полимеры самозатухают при вынесении их из пламени (самозатухающие) - ПВХ или вообще негорючие - фторопласты. При воздействии пламени на некоторые элементоорганические или неорганические полимеры горючие газы образуются в незначительном количестве или не образуются совсем. Такие полимеры характеризуются также повышенной термостойкостью. Например, полиметаллоорганосилоксаны (металл - Аl или Тi), в макромолекулах которых в боковых ответвлениях содержатся диалкилфосфинатные группировки, выдерживают температуру до +800 °С. Полимеры, в структуре которых имеются конденсированные ароматические или гетероциклические кольца, быстро коксуются, что обеспечивает им пониженную горючесть пли полную негорючесть. Особое место в этом ряду занимают графитизирующиеся, карбонизованные полимеры. И, наконец, горение ряда полимеров сопровождается большим эндотермическим эффектом, связанным с испарением с поверхности негорючих частиц, как, например, у некоторых сполна фторированных или галогенированных полимеров. Однако выделяющиеся при трении фторсодержащих полимеров газы часто оказываются токсичными.

Для придания или повышения огнестойкости полимеров имеется несколько способов: нанесение огнезащитного покрытия на поверхность изделия; введение наполнителей, имеющих пониженную горючесть, в композицию на основе полимера; введение огнезащитных добавок антипиренов - инертных (не вступающих в химическую реакцию полимером) и химически активных (химическая модификация).

Первые два способа малоэффективны. При горении незащитные покрытия (например, на основе жидкого стекла) могут накаливаться и отслаиваться от основного материала. Наполнитель (асбест, каолин, цемент) в ряде случаев может выполнять роль своеобразного фитиля и способствовать распространению пламени. Более эффективен третий способ. Количество антипирена зависит от типа материала. Так, введение 2% красного фосфора в пенополиуретан приводит к значительному повышению его огнестойкости вплоть до негорючести. Содержащийся в антипирене фосфор превращается в фосфорную кислоту, которая на поверхности материала образует защитную пленку полифосфорной кислоты. Для придания самозатухаемости пластмассам на основе полиэфиров в материал необходимо ввести 5-6% фосфора, или (равноценные по действию) 1% хлора, либо 8-10% брома. При одновременном присутствии в огнезащитной добавке атомов галогена Х и фосфора количество того и другого элемента, необходимое для придания огнестойкости материалу, может быть уменьшено, особенно если соотношение Х/Р таково, что проявляется синергический эффект.

Для придания огнестойкости горючим полимерам широко используют химически активные антипирены, при взаимодействии которых с полимером в его состав вводятся атомы хлора, брома, фосфора, азота, бора, некоторых металлов, например, кальция, бария, магния. При горении таких инфицированных полимеров образуются ингибитор воспламенения, горения (галогеноводороды, азот, бор и фосфорсодержащие соединения), а также защитные пленки (например, окислов металлов) на поверхности материала. Так, при использовании полиакрилатов бария в полимерных композициях на поверхности материалов при горении образуется пленка окисла бария, способствующая самогашению и предотвращающая дальнейшее разрушение материала.

Широко применяют такие химически активные антипирены, как тетрабромфталевая кислота и ее производные, различные производные бромфенолов и другие. При выборе модифицирующего агента необходимо учитывать, что повышением концентрации галогена возрастает скорость окисления полимера.

Владимир КОВАЛЬ