Реферативно-исследовательская работа ученика 9 класс «Исследование свойств некоторых антипиренов в условиях школьной химической лаборатории».

Реферативно-исследовательская работа ученика  9 класс ГБОУ СОШ 479 Кировского района СПб Чачка Игоря

 «Исследование свойств некоторых антипиренов в условиях школьной химической лаборатории».

Научный руководитель: Галкина М.В. учитель  химии и биологии

Оглавление

Введение                                                                                          3

Глава 1. Вещества, предотвращающие горение и история тушения пожаров.           4

Глава 2. Классификация и механизм действия антипиренов                                        7

Глава 3 Современные огнезащитные вещества.                                                             10

Глава 4 Экспериментальная часть                                                                                    12

Выводы                                                                                                                               13

Литература                                                                                                                          14

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей истории человечества огонь был и, к сожалению, остается самым опасным и коварным его врагом. История наполнена рассказами о страшных пожарах в военное и мирное время. Сгорел храм Артемиды в Эфесе, который называли чудом света, легенда рассказывает о пожаре в Риме времен Нерона, Великий пожар в Лондоне практически уничтожил город. Да и сейчас происходят пожары, уносящие десятки человеческих жизней.

Дерево один из самых древних и распространенных строительных материалов, и огнезащита древесины не только помогает защитить человеческие жизни, но и дает колоссальный экономический эффект. Новые материалы, которые использует человек, сгорают с образованием различных отравляющих веществ. Защитить их от возгорания необходимо.

Существуют три основных принципа тушения огня: охлаждение очага горения, изолирование очага горения от поступления кислорода и ингибирование химических реакций горения. Эти принципы составляют так называемый треугольник огня. Поэтому, вся история борьбы человека с пожарами разворачивалась согласно этим направлениям, а число средств, что человек изобретает и использует для борьбы с огнем, из года в год только множится и совершенствуется. Вплоть до начала XIX века технический арсенал для борьбы с пожарами составляли проверенные временем бердыши, ломы, рогатины, заступы, топоры и ведра, а основным средством тушения огня оставалась обычная вода из реки или колодца.

Первый огнетушитель, изобретенный в 1813 году капитаном британской армии Георгом Малби, представлял собой медный цилиндр высотой около восьмидесяти сантиметров, в который заливали воду — около 13,5 литра, а роль вытесняющего газа выполнял закачанный в баллон сжатый воздух. Постепенно, благодаря успешному развитию науки, человеку в стихии огня удалось рассмотреть протекание обыкновенной химической реакции, что коренным образом повлияло на весь последующий процесс развития средств пожаротушения. Кроме того, при тушении пожаров человек стал использовать вещества, которые предотвращают горение и распространение огня.

В разработку химических огнетушащих составов значительный вклад внесли и ученые России. Так, начало использованию огнетушащих составов положил С.П. Власов. В 1815 он предложил подход к пожаротушению, основанный на: воспрепятствовании прикосновения воздуха к горящему телу. Для приготовления огнетушащих составов, обладающих необходимыми изолирующими свойствами, Власов предлагал использовать в качестве активных смешиваемых с водой реагентов смеси растворов квасцов и поташа, растворы хлористого и сернокислого калия с сульфатом железа, суспензию железного купороса и извести, а также отходы мыловаренного производства.

В 1819 году другой российский ученый П. Шумлянский сформулировал идею тушения огня с помощью инертных газов, суть которой сводилась к окутыванию места возгорания обильной тучей дыма. С целью получения облака густого дыма в нужном месте и в нужное время Шумлянский рекомендовал приготавливать специальный состав: из пороха, глины и воды. Но лишь спустя семьдесят лет после опытов П. Шумлянского другим русским ученым М. Колесником-Кулевичем был научно обоснован метод газового пожаротушения. Согласно его исследованиям для тушения пламени вещество должно быть газообразным или легко переходящим в газы, в качестве одного из таких веществ в пример он приводил двуокись углерода (СО₂).

В данной работе мы хотели рассмотреть

• историю использования веществ, предотвращающих горение
• выявить основные группы веществ-антипиренов
• рассмотреть основные принципы действия антипиренов
• провести экспериментальное исследование свойств некоторых антипиренов.

Глава 1. Вещества, предотвращающие горение и история тушения пожаров.

Первые упоминания об использовании веществ для предотвращения возгорания можно найти в истории Древней Греции. Таким веществом был обычный уксус. Деревянные крепости, многочисленные корабли, таранные и осадные башни нуждались в защите от огня, так как все они на определенном этапе получают массу зажигательных снарядов, использовавших в качестве горючего материала сырую нефть, смолу, уголь, серу, а также комбинации этих веществ. Огонь становится неотъемлемым спутником битв, Поэтому в арсенал греков вводятся  средства  пожаротушения и предотвращения возгорания — запасы воды, песка, а также, кожаные фартуки, пропитанные уксусом. Достаточно широко применявшийся греками таран-черепаха (рис.1) покрывался мешками из

Рис. 1                          воловьих шкур, в которых находились морские водоросли или солома. Пропитывались эти мешки также уксусом (4).

И в Древнем Риме борьбе с пожарами отводилась большая роль. Первоначально тушением пожаров в Риме занимались частные слабо организованные группы. Поскольку такая система была крайне неэффективна, император Август, с целью сохранить город, создал новые общественные силы — корпус вигилов, которые были призваны тушить и предотвращать пожары. Было создано 7 когорт бодрствующих (из расчёта 14 районов Рима), по 500 человек в каждой. Каждая когорта состояла из 7 центурий, по специальности пожарного дела. Одни из специалистов centonarii — заведовали огромными суконными и войлочными полотнищами, которые смачивали в уксусе и набрасывали на огонь (4).

Самое известное и загадочное оружие Средневековья – греческий огонь позволял византийцам превосходить вражеские флоты во много раз. Распыляемый из медных сосудов, которые устанавливались на носах кораблей, (рис. 2)греческий огонь продолжал гореть, даже растекаясь по воде. Греческий огонь также успешно применялся не только на море, но и при осаде и защите крепостей. Точный состав греческого огня неизвестен, поскольку в исторических документах названия веществ не всегда точно идентифицированы. Так, в русских переводах-описаниях слово "сера" могло означать любое горючее вещество, в том числе и жир.

Рис. 2                                                       Наиболее вероятными компонентами были негашеная известь, сера и сырая нефть или асфальт. Также в состав греческого огня мог входить фосфид кальция, который при контакте с водой выделяет газ фосфин, самовозгорающийся на воздухе. В Огненной книге Марка Грека приводится такой состав греческого огня: "1 часть канифоли, 1 часть серы, 6 частей селитры в тонко измельченном виде растворить в льняном или лавровом масле, затем положить в трубу или в деревянную колоду и зажечь. Заряд тотчас летит в любом направлении и все уничтожает огнем ". Следует отметить, что данный состав служил только для выброса огненной смеси, в которой использовался" неизвестный ингредиент". Греческий огонь был и психологическим оружием: опасаясь его, вражеские корабли старались держаться на расстоянии византийцев. Однако, и на это страшное оружие нашлась управа. Вот что гласит один из таинственных рецептов: «Возьми чистую серу, нефть, винный камень, смолу, поваренную соль, древесную масло, хорошо провари все вместе, пропитай этим соком пакли и поджоги - такой огонь можно погасить только песком или винным уксусом». Это утверждают арабские, латинские и византийские источники. Другие источники утверждают, что уксус только замедлял горение греческого огня, поэтому военные старались применять смесь уксуса и песка. В экспериментальной части этой работы (опыты 1 и 2) мы попытаемся подтвердить или опровергнуть противопожарную роль уксуса, так некоторые авторы ее отрицают (3).

С появлением огнестрельного оружия греческий огонь утратил свое значение, но уксус продолжали использовать при тушении пожаров. Правда, чаще его использовали в качестве фильтрующего вещества. Например, продолжительное время в качестве средства защиты органов дыхания использовалась губка, смоченная уксусом. Губка способствовала охлаждению раскаленного на пожаре воздуха и выполняла функции фильтра продуктов сгорания. В то же время, она была бессильна против образующихся при горении отравляющих газов и совсем не защищал глаза. Поиски новых средств защиты дыхания привели к созданию в Австро-Венгрии противодымной маски, состоящей из очков и респиратора. Перед наружным отверстием для поступления воздуха в органы дыхания имелась проволочная решетка, в которую помещалась губка, смоченная уксусом или водой. Эти аппарата получили широкое распространение.

В 1876 году инженер Б.Леба предложил соединить поля, изготавливаемой из прочного материала, с жестяной маской, очками и двойным респиратором. Респиратор изготавливался из двух горизонтальных трубок, наполненных чередующимися слоями пропитанной глицерином ваты и кусочками обожженного угля. Возле выходного отверстия респиратора, рядом с дыхательными путями пожарного, находилась губка, смоченная в ароматическом растворе уксуса (2).

Хорошими антипиренами являются фосфат аммония и двойной суперфосфат. Это было доказано во время Великой отечественной войны в блокадном Ленинграде. На деревянные стропила домов, сооруженных задолго до эпохи железобетона, в сущности, и нацеливалась вражеская авиация. Дома начинали гореть сверху. Пожарные команды во время массированных налетов поспеть всюду не могли, да и воды не хватало (а ближе к зиме водопровод и вовсе замерз - холода начались необычайно рано). Неизбежный, с точки зрения фашистского командования, исход событий должен был быть таким: дома, загораясь друг от друга, порождают огненный смерч; их жители, терроризированные обстрелами, измученные голодом, мечутся в панике, мешая работать пожарным. В итоге город в короткое время гибнет вместе с населением. Приказ об уничтожении Ленинграда предполагалось исполнить быстро, дешевыми средствами.

8 сентября на город было сброшено 6327 зажигательных бомб. Они вызвали 178 пожаров. Горели дома, деревянные мосты, горели знаменитые Бадаевские склады. То, что погибло в старых, построенных в 1914 году купцом Растеряевым хранилищах, было невосполнимой потерей. Сгорели три тысячи тонн муки, две с половиной тысячи тонн сахара превратились в вязкий, покрытый черной коркой сироп. Тушить склады было исключительно трудно: застройка тесная, расстояния между зданиями - всего около 10 метров. Там действительно возник огненный смерч, бушевавший более пяти часов. С ним не могли справиться пожарные команды и рабочие, самоотверженно старавшиеся спасти продовольствие. В ночь на 11 сентября две тысячи "зажигалок" обрушились на торговый порт. Вспыхнули его старые деревянные строения, запылала нефтебаза, загорелась даже поверхность Финского залива - туда стекала нефть. Список потерь этим не исчерпывался. Кроме торгового порта сгорели склады хлебозавода, Гостиный двор. Но город в целом не горел! (рис. 3)

Подготовка к обороне началась задолго до окружения города. Сразу наметилось несколько "фронтовых" направлений исследования. Ученые стали постигать науку о пожарах, технологию их предупреждения и тушения. Температура воспламенения дерева в зависимости от его сорта колеблется в пределах 270-290°С. Когда же дерево загорится, развивается температура до 1700°С, причем каждый килограмм сгоревшего материала, потребив 4,6 кубометра воздуха, выделяет от 4 до 5 тысяч килокалорий. Если бы чердаки были герметичны, пламя могло бы постепенно гаснуть из-за недостатка окислителя, но, к сожалению, на это рассчитывать было нельзя. Загерметизировать чердаки было абсолютно нереально. Пламя распространяется по дереву с различной скоростью в зависимости от того, по горизонтали это происходит или по вертикали. Когда горит горизонтальный плотный пол, то теплота от пламени передается только путем радиации и огонь движется очень медленно. А вот по вертикали - по стропилам - он бежит с убийственной скоростью. Когда масштаб бедствия возрастает, пожар переходит к режиму, при котором важно лишь одно: общее состояние атмосферы. При пожарах размером с километр и более возникают вертикальные потоки раскаленных газов, способные достичь высоты в десять километров. Если же погода ветреная, то горячие струи переносятся и по горизонтали, что ведет к быстрому распространению пожара, к появлению огненных смерчей(5).

Поначалу, предлагалось заливать взрыватели «зажигалок» сверххолодной материей, но установка по получению жидкого азота быстро остановилась, и пришлось искать другие пути.. Перебрали несколько способов огнезащиты стропил: пропитка дерева силикатами, покрытие железным суриком (Fe₂O₃). Но взять огромные количества этих веществ было негде. Взгляд ученых обратился на фосфаты. Фосфорные соединения всегда считались лучшими антипиренами. Они разлагаются ступенчато и каждый раз, теряя молекулы воды, поглощают теплоту горения. Но где взять фосфаты? Вспомнили, что на Невском

Рис. 3                                     химкомбинате остался невывезенный суперфосфат. Много - чуть ли не сорок тысяч тонн. Ценнейший, так называемый двойной суперфосфат (Сa₃(PO₄)₂), совершенно не содержащий балласта, каковым обычно является сульфат кальция. Стали думать, как переработать суперфосфат на вещества, обычно применяемые для пропитки дерева. Построить завод по переработке было невозможно. Идея использовать не переработанный суперфосфат, по-началу показалась смешной, но  все-же попробовали: обмазать раствором удобрения обыкновенное деревянное пресс-папье. Попытались зажечь. Дерево не загоралось. Палочки, обработанные суперфосфатом, также не горели. Даже для того, чтобы их обуглить, требовалось очень много тепла. Суперфосфат действовал! Стало очевидно, что пропитать миллионы стропил и балок невозможно - их можно только обмазывать. Обмазка должна прилипать к дереву. Значит, нужны какие-то липучие добавки? К счастью, простой состав: на три части суперфосфата - одна часть воды и антипиреном оказался отменным, и прилипал достаточно хорошо. Обмазывать им дерево  надо трижды. "Обмазка" была густой, тяжелой. Пытались сделать какие-нибудь механические приспособления, машины, чтобы ее наносить, но успеха не добились. Главным орудием огнезащиты города стала обыкновенная маховая кисть. Суперфосфат с барж перегружали на грузовые трамваи и машины, потом на тележки, носилки, в ведра... Кистями вооружились рабочие и академики, школьники и пенсионеры, бойцы МПВО и домохозяйки, врачи, искусствоведы, библиотекари. За месяц огнезащитным составом было покрыто 90% чердачных перекрытий и деревянных строений, девятнадцать миллионов квадратных метров! На каждого жителя огромного города, включая глубоких стариков и грудных младенцев, почти по десятку квадратных метров дерева, защищенного от огня.

В опыте 3 данной работы мы испытаем на огнепрочность обмазку, приготовленную по блокадному рецепту из двойного суперфосфата.

            Еще одна область использования фосфатов как антипиренов – это тушение лесных пожаров.(рис. 4) Фосфаты аммония, распыляемые с воздуха, используются для борьбы с лесными пожарами в течение уже почти 50 лет. Но идея использовать эти соединений для управления огнем намного старше. Жозеф Луи Гей-Люссак, французский химик и физик, впервые предложил использовать фосфаты аммония в качестве антипиренов в 1821 году.

Во время летних пожаров в лесах штатов Аризона и Нью-Мексико, служба охраны лесов США наняла самолеты для распыления химических веществ красного оттенка на еще несгоревшую растительность. В течение многих лет оппоненты осуждают использование лесной службой таких химических веществ, ссылаясь на негативное воздействие на окружающую среду основного химического компонента этих противопожарных распылений: фосфата аммония.

Чтобы сделать необходимую смесь, химические вещества смешивают с водой. В смеси находится около 85% воды. Вода, содержащаяся в огнезащитной суспензии, действует только в качестве носителя и, следовательно, испаряясь, способствует самозатуханию пожара. Такие

Рис. 4                                     вещества, применяемые с воздуха, остаются эффективными в течение нескольких дней или даже нескольких месяцев, в зависимости от количества осадков. Суспензия окрашивается в красный цвет для того, чтобы помочь экипажу в воздухе в ее применении. Ярко-красный цвет достигается одним из двух способов. Одна линия продуктов содержит пигменты оксида железа, которые медленно исчезают с течением времени. Вторая содержит пищевой краситель, который исчезает через несколько дней пребывания на солнце. Азот и фосфаты, которые входят в состав огнеупорных смесей, являются удобрениями для почвы. Однако экологи, которые считают лесные пожары неотъемлемой частью экосистемы, против использования фосфата аммония. Они утверждают, что повышение концентрации этих элементов в почвы приведет к гибели реликтовых растений.

Глава 2. Классификация и механизм действия антипиренов.

С огнем не поспоришь, особенно, если сам материал расположен и поддерживает горение. Но, если этот материал по всем остальным параметрам оптимально подходит для строительства, то стоит подумать над улучшением такого его свойства, как огнезащита. Антипирены (от греч. апti - приставка, означающая противодействие, и руг — огонь, ингибиторы горения) – вещества или смеси, предохраняющие древесину и другие материалы органического происхождения от воспламенения и самостоятельного горения.  Наше время используют не отдельные вещества, а их смеси. В состав антипирена входят:

·         замедлители горения (фосфаты аммония, сульфат аммония, борная кислота, силикаты, хлористый аммоний),

·         синергисты - вещества, усиливающие действие основного замедлителя

·         стабилизаторы, ограничивающие расход замедлителя.

Принцип действия антипиренов сводится к тому, что при достижении соответствующей степени концентрации антипиренов в древесине или другом материале, они не дают материалу гореть без наличия источника возгорания. Под воздействием огня на обработанную древесину в материале происходят различные химические и физические реакции, не дающие пламени разгореться. Антипирены действуют на различные пути возникновения и распространения горения:

·         на сам материал (могут прекратить горение за счет образования плотной корки на поверхности изделия, преграждающей доступ кислорода)

·         тепло горения (могут поглощать тепло сгорания и выделять большое количество воды, снижая, тем самым, температуру пламени),

·         на приток воздуха. (могут выделять азот или галогены, сернистый газ, аммиак вытесняющие кислород).

Некоторые добавки действуют комплексно, проявляя несколько таких эффектов. Чаще всего, используется смесь нескольких добавок, дающих вместе оптимальный эффект и обладающих действием, усиливающих действие каждой из них, по сравнению с веществами, взятыми по отдельности.

Все средства, повышающие огнезащитные свойства древесины, делятся на покрытия защищающие от огня и составы, проникающие в обрабатываемый материал

·         К первой категории относятся лаки, пасты, краски и различные обмазки.

·         Ко второй – огнезащитные пропитки древесины.

Горение представляет собой очень сложный физико-химический процесс, включающий как химические реакции деструкции, сшивания и карбонизации, а также химические реакции превращения и окисления газовых продуктов горения, так и физические процессы теплопередачи. Реакции фактически приводят к двум основным типам продуктов: 1) газообразным веществам (горючим и негорючим) и 2) твердым продуктам (углеродсодержащим и минеральным). При протекании реакции в предпламенной области образуются топливо для пламени, сажа и пр.

В результате термической деструкции полимеров выделяются летучие продукты распада, содержащие группы С-С и С-Н, которые образуют свободные радикалы, вступающие в реакцию с кислородом. Полагают, что способность к возгоранию и скорость распространения пламени зависят от скорости образования радикалов НО*. Реакции, приводящие к образованию СО₂ и Н₂О сильно экзотермичны, т.е. проходят с выделением большого количества тепла. Это тепло создаёт условия для самоускорения реакций окисления и последующего горения.

Существуют несколько механизмов замедления процессов горения с помощью антипиренов:

1. Ингибирование свободнорадикальных процессов, происходящих при разложении полимера, вследствие образования веществ, способных взаимодействовать со свободными радикалами с образованием радикалов с меньшей реакционной способностью. Замедлению горения способствует введение веществ, содержащих галогены (хлор, бром, фтор, йод), азот, фосфор и бор. При высоких температурах антипирены разлагаются с образованием галогенрадикалов, реагирующих преимущественно с очень активными радикалами НО*.

Н· + НГ = Н₂+ Г·

Н + Г + М = НГ + М

ОН + НГ = Н₂О + Г

Здесь Г – атом галогена. Для однотипных соединений эффективность галогенсодержащих антипиренов убывает в ряду J > Br > Cl > F. Наибольшее практическое применение находят бром- и хлорсодержащие антипирены. Наибольшей эффективностью обладают соединения с пониженной энергией связи углерод – галоген. Эффективность галогенсодержащих соединений определяется тем, насколько легко могут диссоциировать связи C–Г. То есть, эффективность антипирена зависит не только от содержания галогена, но и от радикала, к которому он присоединён. Таковыми являются галогенсодержащие алифатические соединения. Чаще всего используют хлорированный парафин (C_nH_2n+2-xCl_х, где n = 10-30; х = 1-7), содержащий до 70 % связанного хлора. Реже применяют ароматические хлор или бром содержащие соединения, например, декабромдифенилоксид, (С₁₆Н₁₀Br₁₀О), тетрахлорфталиевый ангидрид (C₈Cl₄O₃). Ароматические соединения более устойчивы и поэтому в меньшей степени снижают горючесть. Соединения фтора и иода не применяются в качестве антипиренов, так как соединения фтора малоэффективны, а соединения иода обладают низкой термостабильностью при переработке. Применение хлора в последнее время сильно сократилось в связи с давлением общественных организаций, обеспокоенных токсичностью данных соединений. А при сжигании бромсодержащих антипиренов не выделяются токсичные соединения (диоксинов и фуранов

2. Образование защитного слоя на поверхности полимера, непроницаемого для кислорода или изолирующего от дальнейшего нагревания. Механизм действия целого ряда антипиренов (силикаты и алюмосиликаты, бораты металлов, фосфаты, их органические производные) обусловлен преобладающим влиянием на процесс горения образующихся на поверхности защитных слоев. Эти слои состоят из нелетучих остатков (главным образом – окислов металлов), образующихся при разложении неорганических соединений. Антипирены, которые способны создавать плотные поверхностные защитные слои, создают своего рода физический барьер действию пламени на полимер, затрудняют диффузию горючих газов в пламя. К таким антипиренам относятся метаборат бария (ВаВ₂О₄·Н₂О), борат цинка, тетрафторборат аммония. Антипирены содержащие соединения фосфора снижают кислородопроницаемость материала. Примером такого антипирена может быть диаммоний фосфат. ((NH₄)₂HPO₄) Одним из эффективных ингибиторов процессов горения и тления различных полимеров считаются органические соединения фосфора, действие которых объясняется следующим способом. При пиролизе полимеров, содержащих соединения фосфора происходит образование фосфорной кислоты и ее ангидридов, которые катализируют дегидратацию и дегидрирование.

3. Выделение негорючих (инертных) газов, препятствующих подводу кислорода в зону горения. При применении в качестве антипиренов соединений галогенов замедление горения полимеров может происходить по следующему механизму. NH₄Cl или NH₄Br при температурах выше 200 и 250 °С соответственно разлагаются на аммиак, хлороводород и. бромоводород. Газообразные (HCl и HBr) подавляют горение. Кроме этого, уменьшается процентное содержание кислорода в газовой фазе, что также замедляет горение. Также широко используются:

·         сульфат аммония — при высокой температуре разлагается на аммиак NH₃ и двуокись серы SO₂, которые создают слой, предохраняющий древесину от доступа кислорода воздуха. Для противопожарной защиты применяется как 10-12 %-ный водный раствор;

При температурах больше 500⁰ оксид серы (VI) проявляет окислительные свойства и превращается в диоксид серы.

• фосфат аммония — при более высокой температуре разлагается на аммиак NH₃ и фосфорную кислоту H₃PO₄, которые ограничивают доступ кислорода из воздуха к горячей древесине. Применяется 20-25 %-ный водный раствор;

4. Разложение антипиренов или взаимодействие антипиренов и продуктов их деструкци с другими веществами с поглощением тепла, что способствует уменьшению температуры ниже точки воспламенения. Большую группу веществ, применяемых в качестве антипиренов, составляют вещества, эндотермически разлагающиеся с образованием негорючих продуктов. Сюда можно отнести гидроокиси алюминия, магния, цинка, гидратированные карбонаты металлов, мочевину и другие вещества. Механизм действия таких антипиренов связан с чисто физическим влиянием на тепловой баланс процесса горения. На разложение антипирена, испарение продуктов затрачивается тепло. Негорючие продукты, в свою очередь, разбавляют топливо.

5. Предотвращение распространения пламени в процессе горения, вследствие дополнительных затрат тепловой энергии на нагревание порошкообразного наполнителя.. Введение негорючих наполнителей в материалы позволяет снизить содержание горючей составляющей. Для этой цели кроме дисперсных наполнителей (мел, песок) могут применять и волокнистые (стеклянные волокна, асбест). Большое значение имеют силикаты К₂Si₄О₉ или Na₂Si₄O₉. как предохранительное против огня средство, так как покрытые им дерево, бумага, ткани загораются с большим трудом. Для этой цели деревянный предмет покрывается несколько раз раствором силиката, к которому прибавлено немного мела, костяной золы, минеральной краски или каких-нибудь других измельченных, не плавких, минеральных веществ. Дерево или холст, покрытые два или три раза раствором силиката, причем каждый раз дается высохнуть нанесенному слою, не горят пламенем, а только обугливаются и тлеют.

Следует отметить, что на самом деле механизм действия антипиренов не сводится к какому-либо одному эффекту, а является более сложным. Одним из наиболее эффективных антипиренов является оксид сурьмы  Sb₂O₃– кристаллический минеральный порошок белого цвета. Одновременное присутствие в смеси двух или более веществ, препятствующих образованию пламени, способствует достижению значительно большего эффекта по сравнению с эффектами, наблюдаемыми при использовании тех же веществ раздельно. Совместное действие двух веществ называется синергизмом. Самым эффективным антипиреном в настоящее время является оксид сурьмы в сочетании с галогенсодержащими органическими соединениями (оптимальное мольное соотношение Sb/Cl = 1/3). Эта смесь обладает синергическим эффектом. Предположительный механизм действия этой смеси следующий. Выделяющийся при горении полимера из гологеноорганического соединения хлористый водород взаимодействует с оксидом сурьмы с образованием оксихлорида сурьмы, который, в свою очередь, может разлагаться с выделением трихлорида сурьмы:

Sb₂O₃ + 2HCl = 2SbOCl + H₂O

5SbOCl = Sb₄O₅Cl₂+ SbCl₃   ^{(при 245-280°С)}

4Sb₄O₅Cl₂  = 5Sb₃O₄Cl + SbCl₃   ^{(при 410-475°С)}

3Sb₃O₄Cl = 4Sb₂O₃ + SbCl₃    ^{(при 475-565°С)} 

Образующийся на конечной стадии оксид сурьмы, являясь порошкообразным наполнителем, вносит свой вклад в замедление горения, создавая дополнительные препятствия для распространения пламени. Газообразный трихлорид сурьмы, в свою очередь, ограничивает подвод кислорода в зону горения. Широкому использованию оксида сурьмы способствует то, что он не является канцерогенным соединением.

Глава 3 Современные огнезащитные вещества.

В настоящее время в строительстве все больше используются полимерные материалы. Горючесть полимеров обусловлена высоким содержанием углерода и водорода, из которого состоят макромолекулы. При нагревании макромолекулы легко распадаются на низкомолекулярные насыщенные и ненасыщенные углеводороды, которые хорошо подвергаются экзотермическим реакциям окисления. Самой лучшей защитой полимеров является образование на их поверхности коксовой корки. Современные антипирены должны обладать следующими свойствами:

• Препятствовать горению и тлению защищаемого материала;
• Не вызывать коррозии металлических частей изделия;
• Долговременность действия;
• Не повышать гигроскопичных свойств древесины;
• Не быть ядовитыми для людей и животных;
• Не влиять на лакокрасочные покрытия, нанесенные на материал, подвергающийся  обработке;
• Обеспечивать (самостоятельно или совместно с вводимыми в одном растворе антисептиками) биостойкость пропитываемого материала;
• Не создавать затруднений при механической обработке материала;
• Не влиять на свойства пропитываемого материала.

Современные антипирены относятся к следующим группам химических веществ:

1. Неорганические (оксиды сурьмы, гидроксиды алюминия и магния, борат цинка) Действие гидроксидов и оксида сурьмы мы рассматривали выше. Борат цинка, Zn₂B₆O₁₁ – имеет термостойкость 290ºС, способствует образованию прочной коксовой корки на поверхности полимера,. Сам по себе он образует стекловидную массу на поверхности, а в присутствии оксидов сурьмы и галогенсодержащих антипиренов, он способствует образованию групп Sb-O-Br, а также подавляет дымообразование.

2. Галогенсодержащие углеводороды (хлор- и бромсодержащие). Например гексабромциклододекан C₁₂H₁₈Br₆(ГБЦД) снижает температуру горения за счет протекания сложного комплекса радикальных реакций. Температура плавления, ГБЦД – 190º. Он практически полностью уже заменили в рецептурах трудногорючих композиций устаревшие виды

3. Фосфорсодержащие (полифосфаты). Линейные полимеры ортофосфорной кислоты, в которых фосфорные остатки связаны между собой фосфоангидридными связями. Их действие основано на дегидрировании пиролизующегося полимера, ингибируя реакции пиролиза и ускоряя образование плотного коксового слоя на поверхности, одновременно и фосфаты образуют стекловидный слой, изолирующий лежащий под ним полимер от кислорода и теплового излучения.

4. Азотсодержащие (меламин, цианураты). Меламин C₃H₆N₆ (триаминотриазин или цианурамин) – стабилен до 320ºС, плавится с разложением при 354º, при разложении поглощает тепло (до 40% теплоты сгорания углеводородов) и выделяет большое количество азота, улучшает физико-механические свойства полимера в композиции. Он также замедляет улетучивание бромсодержащих компонентов, связывая продукты распада с образованием солей, действующих как антипирены на последующих стадиях. И, наконец, меламин также вносит значительный вклад в образование коксового слоя..

В большинстве рецептур антипиренов присутствует также неорганический наполнитель – чаще всего тальк, каолин. Наполнитель не является антипиреном, если не считать того, что он уменьшает количество горючего вещества в материале, но он вводится для повышения прочности и предотвращения скапывания горящего расплава

5. Кремнийорганические соединения – образуют защитный слой на поверхности изделия. Нанокомпозиты – полимеры, наполненные слоистыми ультрамикродисперсными наполнителями, в основном, каолином. При горении образуется слой, действующий как теплоизолятор и препятствующий выделению горючих газов.

6. Вспенивающийся графит. При нагревании многократно увеличивается в объме, препятствуя проникновению кислорода к поверхности полимера.

Глава 4. Экспериментальная часть

Опыт.1 Исследование противопожарных свойств уксуса.

Для опыта взяли два образца хлопчатобумажной плотной ткани (образец Т1 и образец Т2)и три бруска дерева длиной 4 см. и шириной 1 см.( образец Д1, образец Д2, образец Д3)

Пропитали их раствором уксусной кислоты:

образец Т1- 3% раствором

образец Т2 70% раствором

образец Д1 3% раствором

образец Д3 9% раствором

образец Д2 70% раствором

и после высушивания образцов их подожгли. Высушенные образцы горят хорошо, что не подтверждает свойства уксуса, как антипирена.

Вывод: использование уксуса при пропитке им таранов и защитных слоев в древние времена основано на его фильтрующих и бактерицидных свойствах, а не на противопожарных свойствах.

Опыт 2. Исследование свойств двойного суперфосфата.

Приготовлена обмазка из смеси двойного суперфосфата и воды в соотношении 3:1. Смесь легко наносится кистью на деревянные бруски. Образец № 1 был обмазан полностью, без просветов, образец №2 с просветами шириной около 1 миллиметра.

При поджигании обмазка первого образца стала более плотной и выдержала огонь. Второй образец загорелся. По истечении времени (более 3 суток) обмазка на образце № 1 потрескалась и стала нуждаться в обновлении.

Вывод: Антипиренные обмазки недолговечны и покрытия ими должны возобновляться.

Опыт № 3 Исследование свойств солей кремниевой кислоты.

Для опыта взяли два образца хлопчатобумажной плотной ткани, которые пропитали раствором силиката натрия с разной концентрацией. Образцы высушили, и подожгли. Образец с большей концентрацией силиката между волокнами не горит. Образец с меньшей концентрацией силиката горит медленнее, чем не обработанная ткань.

Вывод: Большая концентрация антипирена в пропитываемом материале дает больший эффект.

ОПЫТ №4. Деревянный брусок намочили раствором жидкого стекла (20-28 массовых частей стекла на 100 массовых частей воды). Брусок высушили и смазали раствором из равных частей хлорида аммония, хлорида кальция и сульфата магния в 10 частях воды, после чего высушите на воздухе. После высушивания образца его подожгли. Образец не горит.

Вывод: Наибольший противопожарный эффект получается при использовании последовательно или совместно нескольких антипиренов.

ВЫВОДЫ

1. Антипирены, вещества, предотвращающие горение, Могут принадлежать к разным классам неорганических и органических веществ.
2. В основе действия антипиренов: выделение негорючих газов, образование плотной пленки на поверхности материала, образование воды при реакции разложения антипиренов.
3. Наибольший противопожарный эффект получается при использовании последовательно или совместно нескольких антипиренов.
4. Вывод: использование уксуса при пропитке им таранов и защитных слоев в древние времена основано на его фильтрующих и бактерицидных свойствах, а не на противопожарных свойствах.
5. Антипиренные обмазки недолговечны и покрытия ими должны возобновляться
6. Большая концентрация антипирена в пропитываемом материале дает больший эффект.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горная энциклопедия. – М.Советская энциклопедия. Под редакцией Е.А.Козловского 1984-1991
2. Грачев В.А., С.В. Собурь «Средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД)» М., Пожарная книга 2006
3. Заякин Б.Н, «Оружие древних»
4. Конноли П. Вигилы.— Греция и Рим. Энциклопедия военной истории. М: Эксмо-Пресс, 2001.
5. Лисочкин И.Б. «Алхимия войны», СПб., «Санкт-петербургские ведомости»22.11.2007
6. Хлевов А. А. Морские войны Рима. «Издательский дом Санкт-Петербургского государственного университета».СПб 2005
7. Эттингер И.Л. «Город не горит» М., Химия и жизнь, №1,1984

Краткое описание документа:

На протяжении всей истории человечества огонь был и, к сожалению, остается самым опасным и коварным его врагом. История наполнена рассказами о страшных пожарах в военное и мирное время, и сейчас происходят пожары, уносящие десятки человеческих жизней. В данной работе рассмотрены следущие вопросы:

1. история использования веществ, предотвращающих горение
2. основные группы веществ-антипиренов
3. основные принципы действия антипиренов
4. экспериментальное исследование свойств некоторых антипиренов.