ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕРМОПЛАСТОВ И РЕАКТОПЛАСТОВ МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЕРСИЙ О ВТОРИЧНЫХ ОЧАГАХ ПОЖАРА

ВВЕДЕНИЕ
Расследование дел, связанных с пожарами, часто представляет определенные трудности для следственных органов. Место пожара является сложным предметом экспертного исследования. Знание огня неразрывно связано с использованием специальных знаний и современных инструментальных методов. Часто требуется провести целый комплекс испытаний по определению свойств строительных материалов объекта и их термической поврежденности. Комбинированный термический анализ позволяет решить ряд задач пожарно-технической экспертизы. Кроме того, существует возможность вторичного возгорания.
Исследования огнестойкости для применения в области полимерных материалов (синтетических, биологических или натуральных) по-прежнему являются важным направлением в настоящее время [1]. Материалы «завтрашнего дня», как правило, должны быть более легкими и в максимально возможной степени «био-основанными», чтобы достичь идеальной возобновляемости ресурсов [1,2,3]. Эти новые материалы будут включать по большей части органическое вещества [4,5,6]. Содержание органических веществ в максимально возможной степени будет состоять из полимеров или полимероподобных структур биологического или синтетического происхождения. В обоих случаях макромолекулярные структуры, полученные в результате реакций конденсации, будут играть активную роль. Эта роль проистекает из двух основных направлений: (1) природные полимерные материалы в основном представляют собой конденсационные полимеры и (2) как синтетические, так и природные конденсационные полимеры более восприимчивы к биоразложению, будучи более привлекательными для ферментативных процессов. В этом контексте будущие применения таких материалов потребуют все более и более «надежных» решений для их огнестойкости.
Поведением полимеров при воздействии высоких температур является определяющим при исследовании причин возникновения вторичного пожара и, соответственно, выборе метода исследования их обгоревших остатков.
Таким образом, целью данной работы является идентификация термопластов и реактопластов методами термического анализа при отработке версий о вторичных очагах пожара.

 
1. Типы полимерных материалов и их поведение при пожаре
Не рассматривая в этой главе весь спектр известных синтетических полимеров и полимерных материалов на их основе, отметим, что полимерные материалы по пожарным характеристикам принципиально различаются на две группы:
- термопластичные материалы (термопласты);
- термореактивные материалы (термопласты).
Термопласты – это материалы, способные размягчаться при нагревании и переходить в пластичное состояние, не подвергаясь деструкции, термической деструкции. К таким материалам относятся, в частности, полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (нейлон) и др. В огне термопласты размягчаются, плавятся, текут, горят. Это способствует образованию вторичных очагов (пожаров) и распространению огня.
Примером такого типа является поведение проводов с полиэтиленовой или поливинилхлоридной изоляцией (наиболее распространенной в настоящее время). При нагреве провода эта изоляция плавится, стекает вниз, оголяются жилы провода, происходит короткое замыкание; В ходе пожара могут возникать так называемые вторичные короткие замыкания. Второй пример — распространение горения в помещении, где на стенах или потолке установлены люминесцентные лампы с экранами из оргстекла. Горячие конвективные потоки от очага возгорания, поднимаясь к потолку, способны нагреть люминесцентные лампы до такой степени, что экраны начинают плавиться, оргстекло стекает на пол и, таким образом, в помещении могут возникать различные очаги горения.
Подобные примеры можно было бы продолжить; вспомним пример с прожогами на валках сетки рабици, образовавшимися при течении расплавленной полиэтиленовой пленки.
Термореактивные полимерные материалы не могут перейти в пластическое состояние без разрушения своей структуры. Это связано с тем, что термопласты, в отличие от термопластов, в основном имеют не линейную, цепочечную полимерную структуру, а разветвленную пространственную сетчатую структуру. Типичными представителями термореактивных полимерных материалов являются фенолформальдегидные каучуки и пластмассы. Сюда же относится природный полимер – древесина.
Реатопласты при нагревании в случае пожара разлагаются с выделением газообразных продуктов пиролиза и образованием твердого углеродсодержащего сернистого остатка. Именно их способность тлеть делает такие вещества опасными в случае пожара. Д. Драйсдейл в своей книге приводит пример взрыва, разрушившего многоэтажное здание армейского городка в Великобритании. Это произошло из-за тления латексных матрасов, которое, вероятно, было вызвано слабым источником воспламенения (тлеющим табачным изделием). Долгое время процесс протекал незаметно в закрытом складском помещении, при этом газообразные продукты пиролиза накапливались в концентрации, необходимой для взрыва.
Среди двух основных классов полимерных материалов в отношении их нагревания, а именно термопластов и реактопластов, наибольший интерес в публикациях, выраженный количеством опубликованных статей, обнаружен для первой категории. Столь же велик интерес к теме огнестойкости в отношении трех основных классов термопластов на основе конденсационных полимеров, а именно полиамидов, полиэфиров и полиуретанов. Динамика цифр отражается в публикациях, индексируемых ISI, и публикациях с импакт-факторами, таких как статьи, лекции, письма, информационные бюллетени, отчеты, редакционные статьи, обзоры и книги, рецензии на книги, главы или другие подобные материалы. Этот интерес отражает, с одной стороны, большой потенциал использования, а с другой стороны, возможность повторного использования [7]. Оба направления требуют более интенсивного использования и меньшего воздействия на окружающую среду. В связи с этим ожидается, что отныне «материалы завтрашнего дня» будут все более и более углубленными в этом аспекте. Недавно опубликованные тенденции исследований уже выявили необходимость замены нескольких основных решений.
Существует несколько способов повышения огнестойкости полимерных материалов. Например, антипирен (FR) может быть использован в качестве сомономера, который будет генерировать FR полимер в результате химической реакции, непосредственно возникающей в результате синтеза [8] или путем химической модификации форполимера [9]. Огнезащитная добавка также может быть введена в полимерную матрицу путем обработки в расплаве, создавая физические взаимодействия. Последний процесс оказался простым и эффективным процессом, который можно использовать для переработки широкого спектра полимеров путем экструзии или литья под давлением для достижения более высоких характеристик огнестойкости промышленного уровня.
Для разработки подходящей рецептуры добавки необходимо различать три необходимых агента: источник кислоты, карбонизирующий агент и вспенивающий агент [10].
Донор кислоты обезвоживает карбонизирующий агент, который превращается в углерод, а пропеллент необходим для образующихся газов. В дополнение к основным свойствам антипирена эффективная добавка также должна обладать следующими свойствами: она должна быть экономичной, легкодоступной и совместимой с полимером, в который она включена, без других свойств (например, механических свойств). Другими словами, необходимо получить эндотермический материал, то есть разлагающийся, с поглощением тепла и понижением температуры (охлаждающий эффект) в полимерной матрице, то есть пары воды, выделяющиеся при разложении гидроксида, разбавляют газы, образующиеся при сгорании, тем самым снижая концентрацию радикалов, распространяющих пламя, а образующийся оксид металла образует на поверхности защитный слой, выполняющий роль кислородного барьера и теплоизоляции.

2. Информация, получаемая визуальным осмотром обгоревших полимерных материалов
Такой информации часто бывает недостаточно. Если, например, при осмотре места пожара обнаружены капли термопластичного материала, можно сделать вывод, что температура нагрева в этой зоне была выше температуры размягчения того полимера или полимерной композиции.
В случае оплавления изоляции проводов вне зоны горения можно рассчитать величину токов перегрузки или короткого замыкания, необходимых для нагрева провода до соответствующей температуры (имеется соответствующая компьютерная программа).
Гораздо важнее информация, которую можно получить с помощью специальных методов исследования (инструментальных, химических).

3. Термический анализ
Для изучения полимеров, как правило, применяют метод термического анализа, который заключается в весовом определении остаточного содержания летучих веществ - анализ проводится аналогично тому, как это делается при определении остаточного содержания летучих веществ в древесных углях.