Pracownia Bezpieczeństwa Chemicznego - Projekty
Streszczenie

Badanie palności i wybuchowości termousieciowanych tworzyw sztucznych w kontekście przeciwdziałania poważnym awariom przemysłowym

Kierownik projektu: dr Agnieszka Gajek

Streszczenie projektu:

 

Celem projektu była ocena potencjału pożarowo-wybuchowego usieciowanych tworzyw sztucznych związanego z możliwością wystąpienia poważnej awarii przemysłowej podczas ich produkcji, przetwarzania oraz magazynowania, a następnie opracowanie materiałów informacyjnych i wytycznych na podstawie tych charakterystyk.

Wstępna analiza metod otrzymywania tworzyw sztucznych oraz mechanizmów procesów degradacji umożliwiła wybranie substratów, produktów oraz gotowych systemów, które poddano badaniom. Mając na uwadze cel projektu określono trzy obszary badawcze oraz aparaturę.

Do badania procesów spalania żywic poliestrowych niezbędne było określenie podstawowych parametrów charakteryzujących zachowanie się tych materiałów w warunkach pożarowych, m.in. szybkości wydzielania ciepła, czasu zapłonu, czasu spalania. Pomiary wykonano za pomocą kalorymetru stożkowego. W wyniku badań stwierdzono, że spośród przebadanych związków najszybciej zapłonowi ulegają pianki poliuretanowe SPPUR oraz nieusieciowane żywice poliestrowe (czas zapłonu 3-4 s), co jest prawdopodobnie wynikiem obecności lotnych, łatwopalnych rozpuszczalników organicznych. Natomiast systemy epoksydowe charakteryzuje bardzo gwałtowny proces spalania – maksymalna szybkość wydzielania ciepła p-HRR jest osiągana przy 1400 kW/m2. Dodatek uniepalniaczy z grupy fosforanów melaminy największy wpływ miał na żywice epoksydowe, redukując wartość parametru HRR o ok. 80%; w przypadku żywic poliestrowych stopień redukcji wynosił ok. 40%, natomiast obecność kwasu fosforowego w piankach poliuretanowych spowodowała wzrost palności pianki o ok. 20%.

Wykonywanie pomiarów za pomocą komory dymowej umożliwiło określenie takich paramentów, jak gęstość optyczna dymów (Ds) oraz VOF 4 (pole powierzchni pod krzywą Ds).  W trakcie badania wszystkie systemy epoksydowe uległy zapłonowi. Najmniejszą wartość  Ds ~ 36 miała pianka poliuretanowa SPPUR-PIR. Pomimo dużej wartości końcowej Ds ~ 860, najmniejszą wartość zadymienia w ciągu kluczowych pierwszych czterech minut VOF 4 ~ 90 miała nieutwardzona żywica epoksydowa Epidian 012.

Do badania procesów związanych ze spalaniem materiałów zastosowano jednoczesną analizę termiczną: termograwimetryczną (TG) i skaningową kalorymetrię różnicową (DSC). Najmniej trwałym substratem okazał się 2,2-dimetylo-1,3-propanodiol, powszechnie wykorzystywany do produkcji żywic poliestrowych; jego rozkład następował już w temperaturze 40 oC.

Istotą badania podatności na wybuch ciał stałych pylistych substratów żywic poliestrowych było określenie przebiegu eksplozji atmosfery wybuchowej powstałej w wyniku zmieszania pyłu badanej substancji z powietrzem oraz zbadanie minimalnej energii zapłonu.

Związkiem mającym najwyższy indeks deflagracyjny KST jest Bisfenol A  (KST = 316 bar∙m/s), co kwalifikuje go do najwyższej klasy wybuchowości ST3. Pozostałe ze zbadanych związków kwalifikowały się do klasy ST1, z wyjątkiem glikolu neopentylowego, którego wartość parametru KST ~ 216 bar∙m/s, co kwalifikuje go do klasy wybuchowości ST2.  W trakcie badania minimalnej energii zapłonu (MEZ) spośród wszystkich badanych substancji pylistych zapłon uzyskano dla Bisfenolu A. Energia zapłonu rzędu 1-3 mJ jest tak mała, że powstaje m.in. w wyniku wyładowań snopiących.

 

Projekt II.P.11. Wykres zmiany ciśnienia w czasie w trakcie wybuchu pyłu Bisfenolu A

Identyfikację substancji niebezpiecznych, które mogą powstać w trakcie poważnej awarii przeprowadzono z wykorzystaniem spektrometru w podczerwieni z transformacją Fouriera  (FT-IR), chromatografu gazowego z detektorem mas (GC-MS) i pieca Pursera.

Analiza widm umożliwiła identyfikację, poza tlenkiem i ditlenkiem węgla, także związków  z grupy węglowodorów alifatycznych, aldehydów (formaldehydu, aldehydu propionowego oraz metoksyacetaldehydu) i estrów (głównie mrówczanu winylu). Związki te powstawały w trakcie procesu spalania pianek poliuretanowych.

W trakcie pirolitycznego rozkładu żywic epoksydowych powstawały głównie związki  z grupy fenoli, krezoli, a także pochodne furanu.

W przypadku termicznej degradacji wszystkich przebadanych żywic poliestrowych, zachodzącej w 300 °C, największe zagrożenie stanowi styren, który jest emitowany w bardzo dużych ilościach. Styren jest wchłaniany do organizmu w drogach oddechowych i przez skórę, może powodować uszkodzenia płuc oraz stwarza poważne zagrożenie dla zdrowia człowieka  w następstwie długotrwałego narażenia.

Wyniki uzyskane podczas realizacji projektu zostały zaprezentowane na 3 konferencjach  o zasięgu międzynarodowym. Na podstawie otrzymanych wyników przygotowano 7 publikacji naukowych.



Jednostka: Pracownia Bezpieczeństwa Chemicznego

Okres realizacji: 01.01.2014 – 31.12.2016