Сегодня - 16.12.2019

Сибирские и индийские ученые замедляют горение пластика

01 августа 2017

Наш век можно по праву называть веком пластика — полимеры используются в современной жизни повсеместно, в том числе и в строительстве, где пластиковые материалы применяются в качестве отделочных и даже формообразующих элементов. Ранее в этой роли чаще всего выступал бетон. При этом,  в отличие от бетона, пластик легко воспламеняется, поэтому исследования, направленные на снижение горючести полимерных материалов, весьма востребованы.

Эти и другие разнообразные аспекты процессов горения обсуждались на 9-м международном семинаре по структуре пламени, организованном Институтом химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН. Доклад профессора Индийского института технологий Мадрас Амита Кумара был посвящен математическому моделированию распространения пламени по твердым горючим материалам. Рабочая группа под руководством профессора Кумара сотрудничает с исследовательским коллективом главного научного сотрудника лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН доктора физико-математических наук, профессора Олега Павловича Коробейничева. Их совместному проекту в сентябре исполнится год. Работа направлена на исследование горения полимеров, говоря попросту — обычного пластика, для предсказания распространения пламени при пожарах, и финансируется Российским научным фондом и Департаментом науки и технологий Индийского правительства. Группа сибирских ученых занимается преимущественно экспериментальной работой, а индийских — математическим моделированием процессов горения.
 
Амит Кумар
 
— При строительстве современных зданий используется все больше и больше пластиковых материалов. В рамках совместного проекта мы исследуем их горение, и наша задача состоит в том, чтобы снизить горючесть пластика или вообще свести ее к нулю. Мы планируем изучить влияние различных ингибиторов пламени — антипиренов, с целью сделать пластиковые материалы безопасными, во всяком случае, в том, что касается горения, — рассказал Амит Кумар.
 
На стартовом этапе проекта индийские исследователи разработали собственную технологию производства пластика:
 
— Мы не можем покупать образцы, например, на фабрике, нам нужно точно знать, из чего они состоят, так как состав и даже технология изготовления влияют на горение. Последние четыре месяца мы разрабатывали технологию производства, чтобы сделать нужные нам модели. Я привез их с собой для передачи нашим новосибирским коллегам — во время исследования мы должны «говорить на одном языке»,  —  отметил Амит Кумар.
 
Следующий шагом будет подбор антипиренов — химических веществ, уменьшающих горючесть полимеров, и изучение их влияния на горение. Вопрос о том, какие именно соединения будут добавляться, еще предстоит обсудить. Также исследователи учтут и то, что добавляемые в пластик вещества не должны быть токсичными.
 
— У российской команды есть специальное оборудование, которого нет у нас, они могут сделать очень точные измерения характеристик пламени. Также у них гораздо больший опыт по исследованию влияния различных веществ на процесс горения, — добавил профессор Индийского института технологий.
 
Олег Коробейничев рассказал о специальном оборудовании для исследования пламени, которое есть в ИХКГ СО РАН:
 
— Мы разработали несколько установок для изучения структуры пламени — это установки с молекулярно-пучковым отбором пробы из пламен газовых и конденсированных систем. Таких приборов в России больше нет, а в мире их всего 15. Они позволяют детектировать (определять) и измерять  концентрацию радикалов — активных частиц, ответственных  за химические превращения в пламени. При исследовании полимеров изучались пламена, стабилизированные на горелках с противоположно направленным полимеру  потоком окислителя — пластиковый цилиндр перемещается навстречу потоку воздуха со скоростью, равной скорости горения пластика. Пламя при этом стабилизировано, оно «стоит». Его можно изучать даже в течение десяти минут.
 

Горение — это совокупность огромного количества реакций: если, например, говорить о горении водорода, то всем известная реакция — 2H2+O2=2H2O — описывает лишь начало и результат горения. А во время самого процесса происходит множество элементарных химических реакций с участием свободных радикалов — активных «осколков» молекул с неспаренными электронами. Эти реакции — разветвленные цепные реакции: каждый радикал может привести к возникновению двух радикалов, а те в свою очередь запустят собственный каскад превращений. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Похожим образом происходит горение других веществ. Свободные радикалы — частицы (как правило, неустойчивые), содержащие один или несколько неспаренных электронов на внешней электронной оболочке, что позволяет значительно увеличить реакционную способность радикалов.

 
— Хотя концентрация радикалов мала, они являются важнейшей частью состава пламени, и в сумме процесс горения описывается сотнями, а в некоторых случаях — тысячами реакций с участием радикалов. Мы идентифицируем радикалы в пламени и измеряем их концентрацию с помощью молекулярно-пучкового масс-спектрометрического зондирования пламен, — объяснил Олег Коробейничев.
 
В пламя вводится конический кварцевый зонд с отверстием размером с человеческий волос. Внутри него поддерживается вакуум, поэтому в конусе происходит расширение струи и ее охлаждение до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273 ⁰ С), при этом химические реакции прекращаются («замораживаются») и образуется сверхзвуковая струя. Радикалы, соприкасающиеся со стенками конуса, реагируют, и, чтобы избавиться от продуктов такой реакции, из замороженной пробы другой конус (скиммер) «вырезает» нетронутую центральную часть струи. Этот кусочек доставляется в ионный источник масс-спектрометра для определения концентрации радикалов. 
 
Установка с молекулярно-пучковым отбором пробы
 
— Самое главное в нашем проекте с профессором Амитом Кумаром — это установление фундаментальных аспектов горения полимеров: в России они сейчас изучаются слабо по сравнению с тем, что происходит за рубежом. Во время совместной работы мы впервые исследовали радикалы в пламенах полимеров, с добавкой и без добавки антипирена. Мы вводили в полимеры фосфорорганические соединения (механизм их действия как ингибиторов пламени установили ранее). Например, в пламя полиэтилена вводился фосфорорганический антипирен трифенилфосфат. При этом концентрация радикалов H и OH падала в два-три раза, а кроме того, мы определили, что там есть две частицы HOPO и HOPO2, которые являются ключевыми в механизме ингибирования: они ускоряют рекомбинацию радикалов, из-за чего концентрация радикалов понижается, и замедляется горение, — отметил Олег Коробейничев. 
 
Токсичность фосфорорганических антипиренов, в частности, некоторых фторированных эфиров фосфорных кислот сопоставима с токсичностью обычной поваренной соли, как показали исследования на лабораторных мышах, проведенные в ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН.
 
Еще один фундаментальный аспект, уже исследованный в ходе проекта — распространение пламени по поверхности полимера, причем как по вертикальной, так и по горизонтальной. Группа новосибирских ученых измерила распределение температуры и концентраций веществ пламени, включая метилметакрилат — основной продукт пиролиза полиметакрилата, над поверхностью полимера и использовала это поле температур и концентраций для определения кондуктивного и радиационного тепловых потоков из пламени в полимер.  Их коллеги из Индийского института технологий Мадрас провели расчет распространения пламени по поверхности полимера. Эксперимент и моделирование были сделаны впервые, и детали исследования направлены для публикации в один из наиболее авторитетных научных журналов в области физики и химии горения — журнал «Combustion and Flame». 
 
Надежда Дмитриева
 
Фото: автора (1), предоставлено ИХКиГ СО РАН (2), из открытых источников (анонс)
 
Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus