Термическое разложение и горение полимеров (стр. 1 из 4)

С.Ю. Елисеев

Токсичность продуктов горения и разложения полимеров (продукты полного и неполного горения, деполимеризация).

Зависимость пожарной опасности полимеров от их химического строения (наличие в структуре цианидных групп, атомов фтора, бензольных колец).

Основные методы получения огнестойких материалов на основе полимеров (пропитка неорганическими и органическими солями).

Важнейшие представители полимеров (древесина, полиэтилен, полипропилен, ПВХ, тефлон и т.д.).

Токсичность продуктов горения и разложения полимеров

Газообразные продукты (NH3, HCI, CI2, SO2, HCN), растворимые в воде, поглощаются носовой полостью.

Нерастворимые в воде (СО) продукты проникают в лёгкие, где происходит интенсивный газообмен с кровью.

[Гопкалит – смесь 60 % MnO2 и 40 % СuО (наполнитель патронов в противогазе для доокисления СО).

(CO + MnO2 ¾® CO2 + MnO )

(2MnO + O2 (в-х) ¾® 2MnO2 )]

Твёрдые продукты горения проникают также в дыхательные пути (бронхи, лёгкие).

Токсичные продукты горения: СО, СО2, NH3, Br2, CI2, COCI2, HCN, H2S, SO2, HCI, HBr, HF, COF2, CH3CI, C2H5Br, CH2=CHCI, HCOH, CH3COH и т.д. Их токсичное действие увеличивается при понижении концентрации О2 в атмосфере.

Кислород- в воздухе 21 %, Ткип. = —185 оС; при 14 % - головокружение, головная боль, утомляемость; при 6 % - смерть в течении 6-8 минут.

СО2 (в воздухе 0,05-0,04 %). Наркотическое действие. При 9 % - через 4 часа падение давления и смерть.

СО – мало растворим в воде. Получается при неполном сгорании органики. СО легко проникает через пористые материалы. Связь гемоглобина с СО прочнее, чем с О2. Вдыхание 5 % СО в составе воздушной смеси в течении 5-10 минут - смертельно.

HCl - резкий запах, хорошо растворим в воде. Вызывает раздражение слизистых оболочек глаз, носа. Образуется при сгорании Cl – содержащих полимеров. Вызывает коррозию металлов, разрушение бетона, цемента.

HF - резкий запах, хорошо растворим в воде (плавиковая кислота). Образуется при сгорании фторсодержащих полимеров. Сильно раздражает верхние дыхательные пути человека. Вызывает коррозию металлов.

Н2S – запах тухлых яиц. Скапливается на дне ям колодцев и т.д. Горюч. Образуется при горении шерсти, резины и т. д. В небольших количествах вызывает жжение, слезотечение, светобоязнь. В больших концентрациях – судороги и смерть от остановки дыхания. Углеводороды усиливают его действия.

SO2 – характерный острый запах. Раздражает слизистые, травмирует лёгкие. Сухой кашель, жжение и боль в горле, слезотечение, кровотечение.

HCN – бесцветная очень неподвижная жидкость. Ткип. =25,7 оС. Легче воздуха. Хорошо растворим в воде. В присутствии влаги и щелочей гидролизуется до NH3 и НСООН, частично полимеризуется. Горюч. Хорошо проникает, действует на нервную систему. Текстильные волокна и пористые материалы легко сорбируют пары (100г влажной соломы – до 126,3мг HCN).

NO – при сгорании азотсодержащих полимеров образуются. Действует на кровь.

NO2 - бурый газ. Раздражение слизистых. Оттёк лёгких.

NH3 – при сгорании азотсодержащих полимеров образуется аммиак. Обладает резким запахом. Хорошо растворим в воде. Горюч. Раздражающее действие.

COCI2 – запах прелых фруктов или сена. Тяжелее воздуха. Хорошо растворяется в органике, плохо в холодной воде. При нагревании может разлагаться: COCI2=CO+CI2. В воде быстро гидролизуется: COCI2+H2O = HCI+CO2.

Хлор – поражает лёгкие.

Обычно действует смесь продуктов горения на человека. Повышение температуры и влажности, понижение парциального давления О2 усиливают токсичное действие ядов.

Зависимость пожарной опасности полимеров от их химического строения

Упрочнение химических связей, соединяющих основные звенья углеродной цепи, под действием акрилонитрильных группы – СН2—СН- и

атомов фтора приводит к повышению термической устойчивости полимеров. Так, в сополимере стирола и акрилонитрила под действием акрилонитрильной группы прочность связи С-С в основной цепи повышается с 247,8 кДж/моль (в полистироле) до 289,8 кДж/моль (в сополимере). Высокой термической стойкостью характеризуется политетрафторэтилен (-CF2-CF2-)n. В этом полимере прочность связи С-С составляет 361,2 кДж/моль, а прочность связи С-F- 453,6 кДж/моль. На прочность связи С-С повлияли атомы фтора.

Введение в основную цепь бензольных колец также повышает

термостойкость полимеров. Полифенилен [— — —]n (хрупкий)

выдерживает нагревание до 240 оС в течение 72 ч. 86 % массы сохраняется вплоть до температуры 817 оС. Это связано с большой термостойкостью самого бензольного ядра (энергия образования ароматического ядра 4368,0 кДж/моль).

При наличии в полимерах связей: С=О, О-Н, Р =О, S=O, C=N, Si-О, B=N, P=N, энергия которых велика, горючесть полимеров снижается.

Кратные связи обуславливают жёсткость и высокую термическую стойкость [полиены (-CH=CH-)n- устойчивы до 800 оС, полиины (карбин (-СºС-)n - до 2300 оС].

Классификация реакций синтеза полимеров

Полимеризация – это процесс получения ВМС, при котором молекула полимера образуется путём последовательного присоединения молекул мономера (низкомолекулярные вещества) и активному центру на конце растущей цепи

n M ¾® M n' ;

где n-число отдельных молекул; n’-степень полимеризации; М – молекулярная масса мономера.

Полимеризация бывает радикальной и ионной

Радикальная полимеризация протекает с участием свободных радикалов. Стадии: инициирования, роста цепи, обрыва цепи.

Инициирование:

нагреванием (термическая активация): t ··

СН2=СН2 ¾® СН2-СН2 бирадикал.

····

Далее СН2=СН2 + СН2-СН2 + СН2=СН2 ¾® СН2-(СН2)4-СН2 и т.д.

радиационный способ активации:

hg··

CН2=СН2 ¾® СН2-СН2

введением специальных инициаторов:

tо

(С6Н5СОО)2 ¾® [ 2С6Н5СОО× ]=2R

перекись бензоила

Далее R× + CH2=CH2 ¾® R-CH2-CH2 и т. д.

Обрыв цепи:

R—(CH2)n× + ×(CH2)n–R' ¾® R—(CH2)n—(CH2)n –R’.

Степень полимеризации указывает количество звеньев, входящих в макромолекулу: n= М полимера / М мономера, n~ 100-1000 и более.

Ионная полимеризация – процесс с участием ионов, протекающий под действием катализаторов (AlCl3, TiCl4, BF3, NaNH2, (C2H5)3Al )

Катионная: (C2H5)3Al

Ti4+Cl4 ¾¾¾® [Ti3+Cl4]-

[Ti3+Cl4]- + CH=CH2 ¾® [Ti3+Cl4]-—CH—C+H2

I I карбкатион

[Ti3+Cl4]--CH-C+H2 + nCH=CH2 ® [Ti3+Cl4]--CH-CH2--CH-CH2--CH-C+H2

I I I I I

обрыв n

¾¾¾® TiCl4 + CH2—CH2— CH—CH2—CH=CH2

I I I

NH3

Анионная: NaNH2 ¾® Na+ + NH2-

NH2- + CH2=CH ¾® NH2—CH2—C-H