Сравнительный анализ идентификационных термоаналитических параметров конвейерных лент при определении пожарной опасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ТЕРМОАНАЛИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Л.С. Беляева, канд. хим. наук, завотделом,

А.В. Бондаренко, канд. хим. наук,

ведущий науч. сотр. НИИГД «Респиратор»

Происходящие на угольных шахтах экзогенные пожары, несмотря на появившуюся в последние годы тенденцию к снижению их количества, по-прежнему доминируют среди чрезвычайных ситуаций и составляют в среднем две третьих от общего количества пожаров. В системе мероприятий, обеспечивающих пожарную безопасность поступающих для применения в угольных шахтах веществ, материалов и изделий, определенное место должна занимать процедура идентификации. На необходимость и важность ее проведения указывалось, в частности, в докладе Н.Г. Дудерова и других на научно-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков»: «При сертификации материалов и изделий на пожарную опасность, согласно требованиям правил по сертификации, обязательной является их идентификация» [2]. Под процедурой идентификации принято понимать установление тождественности исходного материала, поставляемого потребителю, с образцами материала, прошедшего сертификационные испытания. При конфликтных ситуациях или расследовании аварий должна подтверждаться идентичность серийно поставленного материала с его известным сертифицированным прототипом.

В работе [1] продемонстрированы преимущества, которые дает в этом плане метод дифференциально-термического и термо-гравиметрического анализа - дериватография. Этот метод полезен при оценке пожароопасности конвейерных лент (КЛ), представляющих собой полимерный композиционный материал [3, 7, 8].

Цель настоящей работы - установление на основе метода дериватографии параметров для идентификации материала шахтных конвейерных лент при определении показателей их пожарной опасности.

Анализ материала КЛ проводили на дериватографе Q - 1500 Д системы И. и Р. Паулик, Л. Эрдеи в диапазоне температур 20…1000 °С (скорость нагревания 20 ^оС в минуту в воздушной газовой среде). Образцы исследуемых конвейерных лент, вырезанные в виде тонких полосок на всю естественную толщину изделия, должны иметь одинаковую массу (до 0,5 г). На дериватограммах (рис. 1) записывали кривые: термогравиметрическая кривая (ТГ), показывающая потерю массы образца от температуры или времени; дифференциальная термогравиметрическая кривая (ДТГ), характеризующая скорость потери массы образца; кривая дифференциального термического анализа (ДТА), характеризующая тепловые эффекты при термодеструкции образца. Согласно данным монографии [5] условия эксперимента обеспечивают воспроизводимость результатов термогравиметрических измерений с точностью ±1 %, а погрешность измерения температуры ±20 ^оС.

Установление тождественности исследуемых материалов в работе [1] рекомендовано проводить по следующим идентификационным термоаналитическим параметрам: температуре, °С, при которой теряется 1, 5, 10, 20, 50 % массы исследуемого материала, температуре начала интенсивного разложения, коксовому остатку (КО, %) по окончании эксперимента, температуре максимумов на кривых ДТГ и ДТА. В качестве дополнительной характеристики для идентификации здесь же предложено использовать температурные интервалы деструкции, потери массы, %, при фиксированных значениях температур (100, 200, 300, 400, 500 °С).

Рис. 1. Экспериментальные дериватограммы образцов (А и Б) материала конвейерных лент

Для проведения сравнительного анализа идентификационных термоаналитических параметров взяты образцы материала, вырезанные из шахтных конвейерных лент, представленных для проведения сертификационных испытаний (А) и серийно поставляемых заказчику (Б). Как видим на рис. 1, существенных различий в характере кривых ТГ(А) и ТГ(Б), ДТГ(А) и ДТГ(Б) нет. Только в диапазоне 450…650 °С наблюдается отличие в характере кривых ДТА(А) и ДТА(Б).

Более наглядными могут быть результаты, приведенные в табл. 1, где указаны значения температур при потере 5, 10 и 50 % массы образцов КЛ, коксовый остаток по окончании эксперимента, потери массы при температурах 300, 400 и 500 °С, а также температуры появления первых пиков на кривых ДТГ и ДТА (пики экзотермического эффекта).

Сравнительный анализ термоаналитических параметров, приведенный в табл. 1, показывает отсутствие между ними явных различий в значениях для обоих образцов конвейерных лент.

Таблица 1 Идентификационные термоаналитические параметры материала конвейерных лент

В качестве дополнительной характеристики при анализе результатов термогравиметрических исследований могут быть привлечены, как уже было сказано выше, температурные интервалы деструкции. Здесь важно определить начальную и конечную массу той части процесса, при которой разложение материала происходит примерно по одному механизму. Выделение участков на гравиметрической кривой, предположительно, с одним механизмом процесса разложения можно провести, обрабатывая экспериментальные данные по относительной потере массы m от температуры t в координатах arcsin (m)^1/2 - t, как это показано в монографии [4]. Обработка данных термогравиметрической кривой в указанных координатах для вышеуказанных образцов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Обработка термогравиметрических кривых потери массы материала конвейерных лент в координатах arcsin (m )^1/2 - t: l- образец А; Ў - образец Б

Метод дериватографии, как известно, позволяет фиксировать текущую потерю массы материала на всем протяжении эксперимента (табл. 2). Точки же на рис. 2 показаны через каждые 50 °С, начиная с t = 150 °С. Начальный участок от 20 до 150 °С на этом рисунке не представлен. Как видно из рис. 2, на графике зависимостей в координатах arcsin(m)^1/2 - t для обоих образцов можно выделить пять линейных участков.

Таблица 2 Общая потеря массы образцов на линейных участках

Как видно из данных этой таблицы, потеря массы на линейных участках 1-3 и 5 практически не отличается. Наибольшее отличие в общей потере массы, выходящее за пределы погрешности метода, наблюдается только на одном линейном участке (4), который соответствует температурному диапазону 450…650 °С. Установленный факт может быть связан с явным отличием в характере кривых ДТА - в указанном температурном диапазоне, как было отмечено выше, наблюдаются довольно широкие экзотермические пики с максимумами при температуре 560…580 °С (см. рис. 1). Согласно данным [6] именно на этой стадии при разрыве связей С - Н, носящем статистический характер, образуются горючие продукты деструкции.

На основании проведенного сравнительного анализа идентификационных термоаналитических показателей можно говорить о полной идентичности образцов А и Б материала конвейерной ленты, так как зависимости ТГ, ДТГ, ДТА имеют подобный вид (см рис. 1). Кроме того, отмечается:

совпадение количества интервалов деструкции (по пять, см. рис. 2);

отсутствие отличий в потере массы при указанных температурах (табл. 1) - разница от 1,0 до 4,9 % относительно образца А, что не превышает приведенных в работе [1] допустимых значений (не более чем 15 %);

незначительное отличие температур при указанных значениях потери массы, первых пиков на кривых ДТГ и ДТА (не более чем 5 %, табл. 1).

Перечисленные идентификационные термоаналитические параметры могут быть дополнены и другими характеристиками. В частности, в работе [7] показана возможность применения уравнений, используемых при описании топохимических процессов, для анализа процесса термической деструкции материала КЛ. Было, в частности, показано, что лучшим уравнением для линеаризации экспериментальных данных является уравнение Дюнвальда-Вагнера вида

- ln [р² (1 - m) /6] = a + b ф, (1)

где а - свободный член;

b - тангенс угла наклона прямой;

ф - длительность процесса, мин.

Проиллюстрируем возможность применения этого уравнения для сравнения образцов А и Б. С этой целью данные термогравиметрических кривых образцов А и Б обработаем в координатах (1). Значения коэффициентов а и b линеаризованной формы уравнения (1) для указанных образцов КЛ приведены в табл. 3. В качестве количественной меры линейности соотношения между переменными используем, как и в уже цитированной работе [7], значение квадрата коэффициента корреляции r² - коэффициента детерминации, который также представлен в табл. 3

Таблица 3. Параметры уравнения Дюнвальда - Вагнера и значения коэффициента детерминации для образцов материала конвейерной ленты

Как видно из табл. 3, для случая линеаризации данных термогравиметрического анализа в координатах уравнения Дюнвальда - Вагнера не наблюдается существенных расхождений в значениях свободного члена а, тангенса угла наклона прямой b, который в уравнении (1) является эффективной эмпирической константой скорости деструкции k_ДВ, коэффициента детерминации r² для указанных образцов А и Б конвейерной ленты. Следовательно, параметры уравнения Дюнвальда - Вагнера также могут быть использованы в качестве дополнительной характеристики для идентификации материала при проведении испытаний на пожарную опасность.

Таким образом, для идентификации конвейерных лент при определении показателей их пожарной опасности выбраны основные и дополнительные идентификационные термоаналитические параметры. Метод дериватографии может быть использован и для идентификации других шахтных материалов. Кроме того, по отклонению идентификационных параметров образца материала, взятого после определенного периода его эксплуатации в шахтных условиях, по сравнению с исходным (эталонным) образцом можно судить о степени его износа и изменении пожарно-технических характеристик.

дериватография термоаналитический полимерный гравиметрический

Список литературы

1. Идентификация веществ, материалов и средств огнезащиты перед испытаниями на пожарную опасность / Н.Г. Дудеров, Н.В. Смирнов, Ю.К. Нагановский и др. // Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. - 1999. - № 5. - С. 20 - 28.

2. Идентификация материалов и средств огнезащиты в системе СПБ / Н. Г. Дудеров, Ю. К. Нагановский, Н.В. Смирнов и др. // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: материалы ХV науч.-практ. конф.: в 2 ч. Ч. 1. - М.: ВНИИПО, 1999. - С.112 -113.

3. Определение пожароопасности материала шахтных конвейерных лент / Л.С. Беляева, А.В. Бондаренко, В.И. Саранчук, Л.Я. Галушко // Уголь Украины. - 2000. - № 1. - С. 37 - 39.

4. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров: в 2 ч. Ч.2. / Я. Рабек. - М.: Мир, 1983. - 480 с.

5. Саранчук В.И. Термохимическая деструкция бурых углей / В.И. Саранчук, Л.Ф. Бутузова, В.Н. Минкова. - Киев: Наукова думка, 1993. - 224 с.

6. Сидорюк В.М. Применение термического и термогравиметрического анализов в пожарно-технических измерениях/ В.М.Сидорюк, М.Н.Федотов // Пожарная защита судов: сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - Вып. 7. - С. 81 - 91.

7. Чумак А.С. Определение пожарной опасности конвейерных лент методом дериватографии / А.С.Чумак, А.В. Бондаренко // Горноспасательное дело: сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 2004. - Вып. 41. - С. 5 - 11.

8. Чумак О.С. Параметри пожежонебезпеки конвеєрних стрічок для вугільних шахт - деякі висновки з роботи сертифікаційного центру / О.С. Чумак, Л.С. Бєляєва, О.В. Бондаренко // Хімічна промисловість України. - 2000. - № 6. - С. 53-57.

Размещено на Allbest.ru