Підвищення ефективності водних вогнегасних речовин на основі гелеутворюючих полімерних сполук

Abstract

Актуальність теми дослідження. Одним із головних напрямів підвищення ефективності водних вогнегасних засобів є удосконалення їх фізико-хімічних властивостей в контексті виконання завдань пасивного та активного протипожежного захисту об’єктів. Суттєвим недоліком води як основної вогнегасної речовини є низький коефіцієнт її корисного використання. Високий поверхневий натяг, недостатня змочувальна здатність призводять до швидкого стікання великої кількості води з поверхонь горючих матеріалів, внаслідок чого вона втрачається в процесі гасіння пожежі. Покращення властивостей води можливо досягти через додавання модифікаторів, що змінюють її поверхневий натяг, змочувальну здатність, в’язкість, дисперсність крапель, та/або введення інгібіторів та формування пінних розчинів (зокрема за допомогою систем примусового подавання додаткового повітря). Важливим напрямком посилення вогнегасних властивостей води є їх модифікування полімерними гелеутворювальними сполуками. Вони відзначаються простотою застосування, забезпечують економію витрат водних вогнегасних речовин завдяки підвищеній в’язкості, дають змогу утворювати захисні плівки та регулювати дисперсність робочого середовища. Такі системи можуть поєднувати повний комплекс механізмів припинення горіння – охолодження, ізолювання, флегматизування (розведення) та інгібування, що забезпечує їх ефективність під час гасіння пожеж речовин і матеріалів класу А та В. Значна кількість зарубіжних та вітчизняних досліджень присвячена проблематиці створення складів та технологій застосування вогнегасних розчинів на основі полімерних гелеутворювальних сполук. У наукових працях E. Appel, L. Zhang, Y. Huang, P. Sun, Y. Hai, S. Jiang, Z.Dai, C. Huang, Y. Chen, M. Zhong висвітлюються питання впливу добавок на фізико-хімічні властивості розчинів, особливості їх генерації та розповсюдження, а також можливості оптимізації дисперсності та стабільності захисних покриттів. В Україні проблемами підвищення ефективності вогнегасних засобів опікувалися Абрамов Ю.О., Кірєєв О.О., Жартовський С.В., Кодрик А.І., Шналь Т.М., Бабенко О.В., Ященко Л.О., Веселівський Р.Б., Шумченко М.О. Більшість відомих гелеутворювальних систем є двокомпонентними, застосування яких зазвичай передбачає роздільне подавання компонентів гелеутворювальних систем на поверхню горючого матеріалу, що суттєво обмежує можливість використання таких вогнегасних речовин. Створення ж ефективних складів концентратів для водних вогнегасних розчинів на базі полімерних гелеутворювальних сполук, що могли б поєднувати чотири основні механізми припинення горіння, досі розкрито недостатньо. Особливо актуальним залишається визначення оптимальних складів та концентрацій гелевих модифікаторів для генерації таких систем та наукове обґрунтування їх впливу на вогнегасну здатність. З огляду на зазначене розв’язання науково-технічної задачі щодо підвищення ефективності водних вогнегасних речовин, модифікованих полімерними гелеутворювальними сполуками, та розроблення їх нових ефективних складів є актуальним завданням, що має важливе практичне значення для підвищення рівня пожежної безпеки об'єктів. Ідея роботи полягає у розкритті закономірностей впливу складів та концентрацій композицій полімерних гелеутворювальних сполук на ефективність створених водних вогнегасних речовин. Мета роботи – виявити закономірності впливу фізико-хімічних властивостей композицій полімерних гелеутворювальних сполук на основі водопоглинального гелеутворювального поліакрилату на підвищення ефективності водних вогнегасних речовин. Основні завдання дослідження: - проаналізувати сучасні підходи до ліквідації пожеж із використанням водних вогнегасних речовин та визначити напрями підвищення їх ефективності внаслідок застосування гелеутворювальних сполук на полімерній основі; - дослідити фізико-хімічні властивості водних вогнегасних речовин, модифікованих полімерними гелеутворювачами, та обґрунтувати вибір компонентів для розроблення гелеутворювальної композиції на основі поліакрилату; - розробити рецептуру модифікованої вогнегасної речовини на основі гелеутворювального поліакрилату для гасіння пожеж речовин і матеріалів класів А та В, а також для формування вогнезахисних смуг в екосистемах; - здійснити перевірку достовірності результатів досліджень модифікованої вогнегасної речовини шляхом проведення вогневих експериментальних досліджень із визначення їх вогнегасної здатності під час гасіння пожеж речовин і матеріалів класу А та В, можливості стримування низових пожеж в екосистемах та розробити методичні рекомендації щодо її приготування та застосування. Предмет дослідження – вплив фізико-хімічних властивостей композицій полімерних гелеутворювальних сполук на основі водопоглинального гелеутворювального поліакрилату у складі водних вогнегасних речовин на процеси займання, розвитку та припинення горіння речовин і матеріалів пожеж класів А та В. Об’єкт дослідження – вогнегасні та вогнезахисні властивості водних вогнегасних речовин на основі полімерних гелеутворювальних сполук. Методи дослідження. Під час роботи застосовано комплексний підхід, який поєднував аналітичні, експериментальні та математичні методи, що дало змогу забезпечити всебічний аналіз та достовірність отриманих даних. Теоретичний та аналітичний етап. Дослідження розпочалося з аналізу і синтезу наукових праць, монографій та нормативно-технічної документації. Цей етап був критично важливим для вивчення та узагальнення сучасних підходів до створення нових рецептур вогнегасних гелеутворювальних речовин. Також проаналізовано довідкові дані та нормативні документи, що регламентують методи дослідження властивостей водних, пінних і гелеутворювальних речовин, що дало змогу визначити оптимальні параметри для проведення експериментів надалі. Математичне моделювання та статистична обробка. Для точного визначення динамічної в’язкості гелеутворювальних речовин застосовано математичне моделювання процесу руху кульки у в’язкому гелевому середовищі, що дало змогу отримати кількісні показники, які були неможливими для точного вимірювання стандартними методами. Усі отримані експериментальні дані оброблено за допомогою методів математичної статистики, зокрема визначення середньоквадратичного відхилення. Також застосовано метод планування експерименту, що допомогло мінімізувати кількість дослідів і забезпечити високу достовірність результатів. Експериментальні дослідження. Основну частину роботи становили експериментальні дослідження, метою проведення яких було оцінювання фізико-хімічних властивостей розроблених гелеутворюгелеутворювальних вогнегасних речовин. Значну увагу приділено вивченню залежностей цих властивостей від складу, а також впливу різних типів і концентрацій гелеутворювальних сполук та домішок на кінцеві експлуатаційні властивості гелевих вогнегасних речовин. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у розкритті закономірностей впливу фізико-хімічних властивостей композицій полімерних гелеутворювальних сполук на основі водопоглинаючого гелеутворювального поліакрилату на процеси займання, розвитку та припинення горіння різних речовин і матеріалів, зокрема: - уперше встановлено закономірність впливу концентрації полімерного водопоглинального гелеутворювача на основі поліакрилату у складі водної вогнегасної речовини на показник адгезії гідрогелю до поверхні деревини, що дає змогу визначити необхідну концентрацію гелеутворювача для забезпечення високої утримувальної здатності вогнегасної речовини на поверхнях твердих горючих матеріалів та підвищити охолодження осередку пожежі; - встановлено закономірність впливу концентрації полімерного водопоглинального гелеутворювача на основі поліакрилату у складі водної вогнегасної речовини на в'язкість вогнегасного розчину, що забезпечує можливість регулювання реологічних властивостей вогнегасної речовини залежно від умов пожежогасіння; - визначено оптимальний склад концентрату нової водної вогнегасної речовини: гелеутворювальний поліакрилат – 28 мас. %; олія рапсова рафінована – 24 мас. %; піноутворювач загального призначення – 4 мас. %; вода – 44 мас.% та запропоновано технологію його створення, яка полягає в тому, що на першому етапі проводиться змішування поліакрилату з рапсовою рафінованою олією до стану однорідної речовини, а на другому – змішування суміші поліакрилату та олії із піноутворювачем та водою. Удосконалено: методику визначення динамічної в’язкості колоїдних розчинів у діапазоні від 0,05 сП до 20000 сП шляхом використання методу вимірювання динамічної в’язкості на основі закону Пуазейля в піддіапазонні в’язкості від 0,05 сП до 1,5 сП, застосування методу вимірювання уявної динамічної в’язкості Стокса в піддіапазонні в’язкості від 1,5 сП до 40 сП та методу вимірювання уявної динамічної в’язкості Стокса з уточненням Ладенбурга в піддіапазонні в’язкості від 40 сП до 20000 сП, що сприяє підвищенню точності оцінювання реологічних характеристик вогнегасних речовин на основі полімерних гелеутворювачів та обґрунтованому вибору їх параметрів для ефективного застосування в умовах пожежогасіння. Набуло розвитку: уявлення про природу комплексної вогнегасної дії модифікованих водних вогнегасних речовин (реалізацію ефектів охолодження, інгібування, флегматизації (розведення), ізоляції) унаслідок введення багатокомпонентних гелевих систем, які, на відміну від традиційних водних вогнегасних / вогнегасних засобів, додатково забезпечують реалізацію пролонгованого вогнегасного / вогнезахисного ефекту, підвищену адгезію до твердих горючих поверхонь та ефективне стримування повторного займання і поширення пожежі. Достовірність отриманих результатів та обґрунтованість наукових висновків зумовлені послідовним і системним характером проведеного дослідження. У роботі застосовано комплексний підхід, що поєднує аналітичні, експериментальні та розрахункові методи, засновані на принципах наукової доброчесності й точності. Вихідні дані сформовано за результатами критичного аналізу наукових джерел, теоретичних моделей та експериментальних спостережень. Отримані результати підтверджено зіставленням теоретичних положень із результатами вогневих випробувань і верифіковано за допомогою сучасного програмного та математичного інструментарію. Збалансованість між експериментом і розрахунками свідчить про коректність застовсованих методичних підходів. Виявлені закономірності узгоджуються з відомими науковими даними, що додатково підтверджує їх наукову достовірність. Основні положення та результати дослідження пройшли апробацію на міжнародних науково-практичних конференціях і опубліковані у вітчизняних та закордонних фахових виданнях, що засвідчує їх наукову та практичну значущість. Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність проведеного дослідження полягає у створенні методичних рекомендацій щодо приготування та застосування нової водної гелеутворювальної вогнегасної речовини, здатної ефективно поєднувати охолоджувальну, ізолювальну та флегматизувальну дію. Зазначені рекомендації апробовані та впроваджені в діяльність ТОВ НАУКОВО-ВИРОБНИЧА ФІРМА «ФАКТОР» у розрізі розширення номенклатури продукції підприємства шляхом інтеграції запропонованих гелеутворювальних компонентів у склади вогнегасних речовин; Інституту наукових досліджень з цивільного захисту Національного університету цивільного захисту України (надалі – ІНДЦЗ НУЦЗ України) у розрізі використання у науково-дослідному центрі досліджень та випробувань Інституту наукових досліджень з цивільного захисту ІНДЦЗ НУЦЗ України запропонованої методики експериментальних досліджень з визначення динамічної в’язкості колоїдних розчинів вогнегасних речовин в діапазоні від 0,05 сП до 20000 сП; Мобільного центру швидкого реагування безпілотних систем ДСНС шляхом апробації технології застосування водної вогнегасної композиції, модифікованої гелеутворювальними полімерними сполуками, із використанням безпілотних літальних апаратів (дронів) на висоті до 70 метрів. Упровадження довело працездатність технологічних рішень, запропонованих у дисертаційній роботі, а також допомогло створити науково-практичне підґрунтя для можливості їхнього застосування надалі із використанням безпілотних літальних апаратів. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету, завдання, об’єкт і предмет досліджень. Розкрито недоліки використання сучасних вогнегасних речовин під час гасіння пожеж у екосистемах. Обґрунтовано наукову новизну роботи та визначено її практичне значення. Надано узагальнену характеристику змісту дослідження, розкрито основні етапи його виконання. Відображено особистий внесок здобувача в отриманні результатів, наведено відомості про апробацію матеріалів, публікації на тему дослідження, а також структуру та обсяг дисертаційної роботи. У розділі 1 проведено аналіз сучасного стану та тенденцій розвитку створення водних вогнегасних речовин та супутніх технологій, їх застосування як у вітчизняній, так і у світовій практиці. На підставі ретроспективного огляду та критичного осмислення накопичених даних сформульовано ключові напрями удосконалення рецептур та підвищення ефективності застосування вказаних речовин. Значну увагу приділено оптимізації їх властивостей з урахуванням критеріїв ефективності, економічності та екологічності. Теоретично обґрунтовано, що вогнегасні розчини на основі модифікованих систем мають значні переваги порівняно з традиційними вогнегасними речовинами, зокрема водою. Ці переваги детерміновані суттєвим збільшенням стабільності колоїдно-дисперсних систем і посиленням вогнегасної дії. Реалізація підвищеної ефективності зумовлена комплексною дією на процес горіння, що включає механізми охолодження, ізолювання, флегматизування (розведення) та інгібування полум'я. Детально розглянуто застосування інноваційних технологій продукування модифікованих вогнегасних розчинів з метою підвищення їхніх експлуатаційних характеристик. У розділі 2 здійснено комплексний аналіз фізико-хімічних характеристик водних вогнегасних речовин, модифікованих полімерними гелеутворювальними добавками. Наголошено на вивченні механізмів взаємодії водного середовища з гідрофільними полімерними домішками, які забезпечують підвищення ефективності гасіння завдяки зміні в’язкісних, тиксотропних і адгезійних параметрів. Обґрунтовано доцільність вибору основних компонентів системи, зокрема полімерів різної природи – поліакрилату, карбоксиметилцелюлози та інших структуроутворювачів. Розглянуто особливості приготування розчинів і описано технологічні труднощі, пов’язані з рівномірним диспергуванням порошкоподібних компонентів у водній фазі. Запропоновано практичні прийоми, що дають змогу запобігти утворенню агломератів і нерозчинених частинок, забезпечуючи однорідність отриманих систем. Значну увагу приділено вивченню реологічних властивостей модифікованих складів. Встановлено, що більшість досліджених зразків проявляють виражену тиксотропну поведінку – у разі зростання швидкості зсуву спостерігається зменшення в’язкості, що сприяє ефективному транспортуванню через системи подавання. Після припинення подавання до зони горіння в’язкість розчинів швидко відновлюється, забезпечуючи утворення стабільного покриття та зниження втрат активної речовини. Додатково проаналізовано вплив концентрації полімеру та введення допоміжних компонентів (емульгаторів, стабілізаторів, поверхнево-активних речовин) на реологічну поведінку складів. Результати досліджень змочуваності та адгезійних властивостей на різних типах поверхонь (металевих, дерев’яних і полімерних) засвідчили суттєве підвищення здатності модифікованих водних систем утримуватись на похилих і вертикальних площинах. Це зумовлено не лише збільшенням в’язкості, а й формуванням стабільної гелевої структури на поверхні матеріалу. Досліджено вплив від уведення полімерних сполук на основі поліакрилату на кратність піноутворення та стійкість пінних композицій. Отримані результати формують наукове підґрунтя для визначення складів вогнегасних концентратів надалі і дають змогу встановити раціональні співвідношення компонентів залежно від умов експлуатації. Це створює передумови для ефективного застосування таких речовин під час локалізації та гасіння пожеж на об’єктах із різною структурою. У розділі 3 викладено методологію розроблення рецептур концентратів для створення ефективних водних вогнегасних речовин з гелеутворювальними властивостями. Основна увага приділена підбору полімерних компонентів, визначенню їх концентрацій, взаємодії з іншими домішками, а також оцінці можливостей введення у промислові й лабораторні умови. Здійснено порівняння рецептур на основі традиційного піноутворювача загального призначення у поєднанні з гелеутворювальними речовинами. Обґрунтовано вибір композицій, у яких досягається баланс між високою в’язкістю, змочуваністю та стабільністю структури. До складів уведено додаткові модифікувальні агенти: аеросил для регулювання здатності налипання гелю; сорбітанмоноолеат як емульгатор; рапсова олія як випаростабілізувальна добавка. Згідно з аналізом навіть незначні зміни у вмісті полімеру призводять до суттєвих відмінностей у тиксотропних властивостях. Рецептури з гелеутворювальним поліакрилатом у межах від 1,5 % до 2,0 % показали найкращу здатність до формування однорідної маси без грудок, що спрощує їх використання в польових умовах. Наведено результати вибору співвідношення компонентів залежно від призначення (локалізація пожежі, гасіння рідин тощо). Показано, що ретельно підібрана рецептура концентрату дає змогу створити універсальний засіб, придатний для гасіння пожеж різного класу з мінімальними витратами речовини. Узагальнено практичні рекомендації щодо приготування розчинів у польових та лабораторних умовах. У розділі 4 наведено результати експериментальних досліджень з оцінювання ефективності розроблених концентратів водних вогнегасних речовин. Наукова розвідка проводилася в умовах, максимально наближених до реальних пожежонебезпечних ситуацій. Дослідження охоплювали гасіння модельних вогнищ класу А (тверді матеріали, зокрема деревина) та класу В (горючі рідини). Основними критеріями оцінки були час гасіння, інтенсивність подавання, стійкість нанесеного шару, площа дії та наявність повторного займання. Під час проведення експериментів доведено перевагу гелевих вогнегасних речовин над водою, як за швидкістю локалізації полум’я, так і за тривалістю термоізоляційного ефекту. Найкращі результати продемонстрували рецептури на основі гелеутворювального поліакрилату з додаванням поверхнево-активних речовин, які утворювали стабільну плівку та повністю покривали зону горіння. Також увагу приділено гасінню вертикальних поверхонь, де ефективність гелевих вогнегасних речовин виявилася особливо високою через їхню здатність утримуватись на матеріалі та поступово випаровуватись. Встановлено, що завдяки підвищеній в’язкості розчинів зменшується стікання речовини, що дає змогу досягти стабільного захисного покриття навіть у разі високих температур. За результатами досліджень зроблено висновок про придатність розроблених засобів для використання в автоматичних системах та переносних модулях пожежогасіння. Розроблені водні вогнегасні речовини легко сумісні з наявним пожежно-технічним обладнанням, що забезпечує їх універсальність та простоту впровадження.