Моделирование горения полимерных материалов
В. К. Булгаков, В. И. Кодолоа, Л. М. Липанов.
— М.: Химия, 1990.— 240 с.
Описаны экспериментальные физические и химические, а также математические модели горения полимерных материалов и топлив, содержащих полимерные связующие. Рассмотрено влияние на горении различных факторов, в том числе давления, температуры, скорости турбулентного потока. Значительное внимание уделено регулированию и регуляторам горения. Представлены общие принципы подбора эффективных регуляторов горения, а также методологии их исследования. Предложены параметры оценки эффективности смесей веществ, регулирующих горение
Предназначена широкому кругу научных и инженерно -технических работников, связанных по роду своей деятельности с пожароопасностью полимерных материалов и горением топлив. Может быть полезна студентам старших курсов н аспирантам соответствующих специальностей.
Табл. 25. 11л. 51. Бпблногр.: 312 назв.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..............
Глава 1
Воспламенение и горение полимерных материалов ....
1.1, О процессах в газовой фазе и их воздействии на материалы
1.2, Химические превращении и полимерных материалах при горении
1.3, Математические модели горения полимерных материалов
1.3.1. Уравнения переноса в газовой фазе.....
1.3.2. Граничные условия
1.4. Методика численного расчета горения полимерных материалов
Глава 2
Влияние параметров окружающей среды на процессы горения полимерных материалов...............
2.1. Влияние состава окружающей среды на горение полимерных материалов.................41
2.2. Горение полимеров при различных давлениях, скоростях движения среды и начальных температурах конденсированной фазы . . 48
2.3. Влияние турбулентности окружающем среды на процессы горения 53
2.3.1. Турбулентность в волне горения газовой фазы .... 53
2.3.2, Методика расчета скорости горения твердых топлив при обдуве ................63
Глава 3
Экспериментальные модели химических процессов при пиролизе и горении полимеров................69
3.1. Химические методы регулирования горения полимеров .... 69
3.2. Структура и свойства регуляторов горения (модельные представления) .................| 83
3.3. О превращениях регуляторов горения в предпламенной зоне и в поверхностном слое полимерных материалов.......103
3.1. Оценка эффективности регуляторов горения полимерных материалов .................118
Глава 4
Математические модели химических процессов при пиролизе полимеров 123
4.1. Математическое моделирование процессов при пиролизе материалов с «сухой поверхностью»............123
4.2. Математическое моделирование при образовании жидких компонентов в процессе пиролиза материалов........154
4.3.2. Пиролиз целлюлозы...........
Глава 5
Синергизм при катализе и замедлении горения полимерных материалов 182
5.1. Закономерности антагонизма и синергизма систем регуляторов горения .............. . . 182
5.2. О взаимодействии между собой компонентов системы добавок и активных фрагментов в полимерах.........184
5.2.1. Синергизм металл- и галогенсодержаших замедлителей горения ................185
5.2.2. Синергизм фосфор- и галогенсодержаших замедлителей горения ...............192
5.2.3. Бром- и серосодержащие замедлители горения и огнезамедлительные системы............198
5.2.4. Фосфор- и азотсодержащие огнезамедлительные системы 199
5.2.5. Синергизм и антагонизм метал-фосфорсодержаших огнезамедлительных систем........... 205
5.2.6. Синергизм неорганических соединении...... 210
5.2.7. Синергизм бор- и азотсодержащих замедлителей горения 212
5.3. Методы оптимизации при подборе эффективных регуляторов горения и синергических систем ........... 213
Заключение.................218
Библиографический список............229
ПРЕДИСЛОВИЕ
Исследования горения начаты очень давно, однако теоретические представления об этом явлении и сопровождающих его процессах начали развиваться с 20—30-х годов нашего столетия, которые ознаменовались созданием теории цепного и теплового взрыва. Классификации процессов горения, описанию их особенностей, изложению теоретических основ этой области науки посвящена очень обширная литература [1].
В данной книге предпринята попытка с позиций одного ^математического аппарата рассмотреть горение предварительно перемешанных полимерных систем, содержащих внутренний окислитель, и диффузионное горение полимерных материалов (пластмасс, резин, тканей и полимерных покрытий, т. е. материалов, которые не содержат или содержат мало внутреннего окислителя). Под внутренним окислителем понимают атомы кислорода или кислородсодержащие группировки, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях с углеродом, углеводородными группировками или металлами, металлсодержащими фрагментами.
К первой группе относятся нитроцеллюлоза, другие полимеры, содержащие нитрогруппы, ракетные топлива, пороха, некоторые взрывчатые вещества. При зажигании эти вещества горят с высокими скоростями. При горении металлов, хотя они не содержат окислителя, также достигаются большие скорости горения из-за высоких экзотермических эффектов и быстрого роста температуры. Вторую группу составляют ископаемые топлива и ряд полимеров, которые не содержат или имеют в своем составе мало внутреннего окислителя. Естественно, между этими группами нет резкой границы.
Одновременно с исследованиями топлив развиваются работы в области регулирования горения полимерных материалов [39]. При этом возможны различные подходы к регулированию процессов воспламенения и горения полимерных материалов в зависимости от источника зажигания и условий тепло-и массообмена при зажигании и последующем горении. При этом источники зажигания обычно разделяют на слабые и сильные.
Регулирование горения может осуществляться физическими и химическими методами как за счет изменения условий тепло- и массообмена, так и за счет изменения направлений химических реакций. Этот процесс находится в прямой связи с исследованиями критических условии зажигания и горения.
Критические условия можно классифицировать по параметрам, связанным с формой, размерами и расположением образца; по содержанию горючею и окислителя в топливе (материале) и окружающей среде; по параметрам окружающей среды (давлению, температуре, использованию подложки или ее отсутствию) [54].
В данной книге сведения о критических условиях горения полимерных материалов приведены очень кратко и фрагментарно, более подробное изложение проблемы потребует написания специальной монографии.
Из-за сложности описания общей картины процесса горения применяют различные методы моделирования: численные и экспериментальные (физические и химические). Численные методы включают в себя уравнения теплопроводности, диффузии и химической кинетики. При регулировании горения в кинетических уравнениях учитывается влияние регуляторов горения (катализаторов или замедлителей) за счет изменения энергий активации и предэкспотенциального множителя и уравнениях Арреннуса, описывающих соответствующие реакции.
Поскольку при горении протекает большое количество параллельно-последовательных реакций, можно упростить вероятную модель, исследуя связи, разрушающиеся в исходном материале и образующиеся в продуктах процесса. При этом есть возможность сократить число уравнений химической кинетики. Вместе с тем при горении композиционных полимерных материалов неизбежно возрастает общее число уравнении химической кинетики из-за увеличения числа компонентой и материале. Вследствие этого более полезным является использование феноменологических подходов, определение активных центров и процессов, протекающих на них, выбор химических реакций, влияющих на тепловыделение. Естественно, с усложнением модели. возрастает необходимость использования методов планирования эксперимента. Однако обычно численное моделирование предваряет построение физических моделей горения.
Горение полимерных материалов является довольно обширным разделом в области горения конденсированных систем, поэтому представляет интерес выделить основные физические и химические модели, описанные с помощью математического аппарата более подробно. Однако пока экспериментальных работ в этом направлении явно недостаточно для того, чтобы провести численное исследование на примере таких композиционных материалов, как наполненные, армированные полимерные материалы, содержащие замедлители горения и полный набор добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики материалов и технологические свойства их при переработке в изделия. Поэтому, несмотря на желание охватить более полно вероятные и применяемые модели горения полимерных материалов различной природы, примеры численных исследовании в настоящей книге приведены в большей части для материалов с внутренним окислителем.
В. К. Булгаков, В. И. Кодолоа, Л. М. Липанов.
— М.: Химия, 1990.— 240 с.
Описаны экспериментальные физические и химические, а также математические модели горения полимерных материалов и топлив, содержащих полимерные связующие. Рассмотрено влияние на горении различных факторов, в том числе давления, температуры, скорости турбулентного потока. Значительное внимание уделено регулированию и регуляторам горения. Представлены общие принципы подбора эффективных регуляторов горения, а также методологии их исследования. Предложены параметры оценки эффективности смесей веществ, регулирующих горение
Предназначена широкому кругу научных и инженерно -технических работников, связанных по роду своей деятельности с пожароопасностью полимерных материалов и горением топлив. Может быть полезна студентам старших курсов н аспирантам соответствующих специальностей.
Табл. 25. 11л. 51. Бпблногр.: 312 назв.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..............
Глава 1
Воспламенение и горение полимерных материалов ....
1.1, О процессах в газовой фазе и их воздействии на материалы
1.2, Химические превращении и полимерных материалах при горении
1.3, Математические модели горения полимерных материалов
1.3.1. Уравнения переноса в газовой фазе.....
1.3.2. Граничные условия
1.4. Методика численного расчета горения полимерных материалов
Глава 2
Влияние параметров окружающей среды на процессы горения полимерных материалов...............
2.1. Влияние состава окружающей среды на горение полимерных материалов.................41
2.2. Горение полимеров при различных давлениях, скоростях движения среды и начальных температурах конденсированной фазы . . 48
2.3. Влияние турбулентности окружающем среды на процессы горения 53
2.3.1. Турбулентность в волне горения газовой фазы .... 53
2.3.2, Методика расчета скорости горения твердых топлив при обдуве ................63
Глава 3
Экспериментальные модели химических процессов при пиролизе и горении полимеров................69
3.1. Химические методы регулирования горения полимеров .... 69
3.2. Структура и свойства регуляторов горения (модельные представления) .................| 83
3.3. О превращениях регуляторов горения в предпламенной зоне и в поверхностном слое полимерных материалов.......103
3.1. Оценка эффективности регуляторов горения полимерных материалов .................118
Глава 4
Математические модели химических процессов при пиролизе полимеров 123
4.1. Математическое моделирование процессов при пиролизе материалов с «сухой поверхностью»............123
4.2. Математическое моделирование при образовании жидких компонентов в процессе пиролиза материалов........154
4.3.2. Пиролиз целлюлозы...........
Глава 5
Синергизм при катализе и замедлении горения полимерных материалов 182
5.1. Закономерности антагонизма и синергизма систем регуляторов горения .............. . . 182
5.2. О взаимодействии между собой компонентов системы добавок и активных фрагментов в полимерах.........184
5.2.1. Синергизм металл- и галогенсодержаших замедлителей горения ................185
5.2.2. Синергизм фосфор- и галогенсодержаших замедлителей горения ...............192
5.2.3. Бром- и серосодержащие замедлители горения и огнезамедлительные системы............198
5.2.4. Фосфор- и азотсодержащие огнезамедлительные системы 199
5.2.5. Синергизм и антагонизм метал-фосфорсодержаших огнезамедлительных систем........... 205
5.2.6. Синергизм неорганических соединении...... 210
5.2.7. Синергизм бор- и азотсодержащих замедлителей горения 212
5.3. Методы оптимизации при подборе эффективных регуляторов горения и синергических систем ........... 213
Заключение.................218
Библиографический список............229
ПРЕДИСЛОВИЕ
Исследования горения начаты очень давно, однако теоретические представления об этом явлении и сопровождающих его процессах начали развиваться с 20—30-х годов нашего столетия, которые ознаменовались созданием теории цепного и теплового взрыва. Классификации процессов горения, описанию их особенностей, изложению теоретических основ этой области науки посвящена очень обширная литература [1].
В данной книге предпринята попытка с позиций одного ^математического аппарата рассмотреть горение предварительно перемешанных полимерных систем, содержащих внутренний окислитель, и диффузионное горение полимерных материалов (пластмасс, резин, тканей и полимерных покрытий, т. е. материалов, которые не содержат или содержат мало внутреннего окислителя). Под внутренним окислителем понимают атомы кислорода или кислородсодержащие группировки, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях с углеродом, углеводородными группировками или металлами, металлсодержащими фрагментами.
К первой группе относятся нитроцеллюлоза, другие полимеры, содержащие нитрогруппы, ракетные топлива, пороха, некоторые взрывчатые вещества. При зажигании эти вещества горят с высокими скоростями. При горении металлов, хотя они не содержат окислителя, также достигаются большие скорости горения из-за высоких экзотермических эффектов и быстрого роста температуры. Вторую группу составляют ископаемые топлива и ряд полимеров, которые не содержат или имеют в своем составе мало внутреннего окислителя. Естественно, между этими группами нет резкой границы.
Одновременно с исследованиями топлив развиваются работы в области регулирования горения полимерных материалов [39]. При этом возможны различные подходы к регулированию процессов воспламенения и горения полимерных материалов в зависимости от источника зажигания и условий тепло-и массообмена при зажигании и последующем горении. При этом источники зажигания обычно разделяют на слабые и сильные.
Регулирование горения может осуществляться физическими и химическими методами как за счет изменения условий тепло- и массообмена, так и за счет изменения направлений химических реакций. Этот процесс находится в прямой связи с исследованиями критических условии зажигания и горения.
Критические условия можно классифицировать по параметрам, связанным с формой, размерами и расположением образца; по содержанию горючею и окислителя в топливе (материале) и окружающей среде; по параметрам окружающей среды (давлению, температуре, использованию подложки или ее отсутствию) [54].
В данной книге сведения о критических условиях горения полимерных материалов приведены очень кратко и фрагментарно, более подробное изложение проблемы потребует написания специальной монографии.
Из-за сложности описания общей картины процесса горения применяют различные методы моделирования: численные и экспериментальные (физические и химические). Численные методы включают в себя уравнения теплопроводности, диффузии и химической кинетики. При регулировании горения в кинетических уравнениях учитывается влияние регуляторов горения (катализаторов или замедлителей) за счет изменения энергий активации и предэкспотенциального множителя и уравнениях Арреннуса, описывающих соответствующие реакции.
Поскольку при горении протекает большое количество параллельно-последовательных реакций, можно упростить вероятную модель, исследуя связи, разрушающиеся в исходном материале и образующиеся в продуктах процесса. При этом есть возможность сократить число уравнений химической кинетики. Вместе с тем при горении композиционных полимерных материалов неизбежно возрастает общее число уравнении химической кинетики из-за увеличения числа компонентой и материале. Вследствие этого более полезным является использование феноменологических подходов, определение активных центров и процессов, протекающих на них, выбор химических реакций, влияющих на тепловыделение. Естественно, с усложнением модели. возрастает необходимость использования методов планирования эксперимента. Однако обычно численное моделирование предваряет построение физических моделей горения.
Горение полимерных материалов является довольно обширным разделом в области горения конденсированных систем, поэтому представляет интерес выделить основные физические и химические модели, описанные с помощью математического аппарата более подробно. Однако пока экспериментальных работ в этом направлении явно недостаточно для того, чтобы провести численное исследование на примере таких композиционных материалов, как наполненные, армированные полимерные материалы, содержащие замедлители горения и полный набор добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики материалов и технологические свойства их при переработке в изделия. Поэтому, несмотря на желание охватить более полно вероятные и применяемые модели горения полимерных материалов различной природы, примеры численных исследовании в настоящей книге приведены в большей части для материалов с внутренним окислителем.