واکنش و تاثیر PVC در آتش سوزی

بررسی واکنش و تاثیر PVC  در آتش سوزی

آتش سوزی همواره خطر بسیار جدی به شمار آمده و تحقیقات بیشماری در راستای پیشگیری  و کنترل آن انجام شده است،بسیاری از این تحقیقات در مورد تاثیر مواد و مصالح به کار رفته در بنا هنگام آتش سوزی بوده است.

در این مطلب می خواهیم تاثیر PVC به عنوان یک محصول پرکاربرد و مهم در صنعت ساختمان سازی به هنگام آتش سوزی را بررسی کنیم.
مواد پلاستیکی مختلف که در صنعت ساختمان استفاده می شوند ،واکنش های متفاوتی نسبت به آتش دارند.پلیمر PVC با محتوای کلر بالا در مقایسه با سایر پلاستیکها اشتعال پذیری و همچنین تولید حرارت را در آتش سوزی کاهش می دهد. قابلیت آتش سوزی این ماده به عنوان یک پلیمر پایه بر اساس مواد افزودنی آن می تواند تغییر کند. غاظتهای بالای مواد آلی ، قابلیت اشتعال را افزایش می دهد در حالی که مواد معدنی در غلظت های بالا باعث کاهش قابلیت اشتعال می گردد.
همانند سایر مواد طبیعی و مصنوعی، فرمولاسیون PVC نیز وقتی می سوزد منجر به ایجاد دود وگازهای سمی می شود، همچنین ممکن است به وسیله ی استفاده از مواد افزودنی ویژه کاهش قابل توجهی در انتشار دود هیدروژن کلرید به وجود آید. از مطالعات انجام شده در این زمینه این طور نتیجه گیری می شود که گازهایی که از آتش گرفتن PVC حاصل می شوند به میزان قابل توجهی کمتر از دیگر مواد رایج ساختمانی سمیت دارند. 
تعدادی از مطالعاتی که به صورت رسمی انجام شده، نشان می دهد که استفاده ی PVC به جای استفاده از مواد ساختمانی سنتی، هیچ تغییر قابل توجهی در خطرات ناشی از آتش سوزی تصادفی در ساختمان ایجاد نمی کند.

PVC  ذاتا  نسبت به احتراق مقاوم است، زیرا درجه حرارت موردنیاز برای احتراق PVC سخت، 150 درجه بالاتر از دمایی است که برای آتش گرفتن چوب مورد نیاز است.اما PVC نرم مقاومت پایینی در مقابل سوختن دارد که این اشکال با اصلاح فرمول می تواند به طور قابل ملاحظه ایی بهبود یابد. 
در جدول (1-9) دمای احتراق براساس استاندارد ASTMD 1929 اندازه گیری شده و برای مواد مختلف طبیعی و مصنوعی ذکر شده است.

جدول 1-9  دمای احتراق برای مواد مختلف ( ASTMD 1929)

قابلیت اشتعال

زمانی که یک ماده مشتعل می شود این خطر به طور مستقیم به قابلیت اشتعال آن مرتبط می شود. یکی از  قابل اطمینان ترین آزمونهای اشتعال پذیری در مقیاس کوچک، آزمون محدود کردن شاخص اکسیژن است که در واقع اندازه گیری غلظت اکسیژن در مخلوطی از اکسیژن/نیتروژن است که برای ادامه ی احتراق لازم است.

ماده ای با مقدار   LOIبالاتر از 21(هوا شامل 21%اکسیژن است.)نباید در هوا و در دمای اتاق دچار سوختگی شود و مقدار بالای 25تا27 به این معنی است که این ماده تنها تحت حرارت بسیار بالا خواهد سوخت.PVC سخت دارای یک شاخص اکسیژن بین 45تا50 می باشد که درمقایسه باچوب با LOI  که 21تا22 و بسیاری از ترموپلاستیکها LOI  17تا18 مقاومت قابل توجهی دارد.  برای PVC نرم مقدار شاخص اکسیژن بالاتر از 27 به راحتی می تواند به دست آید. اهمیت این موضوع در این است که بیشتر PVC های سخت و نرم به تنهایی و بدون استفاده از دیگر منابع گرمایی نخواهند سوخت.  مقدار شاخص اکسیژن در دمای اتاق ،  برای مواد مختلف در جدول (9-2)ذکر شده است. بعضی از فرمولاسیون های PVC بسیار نرم مانند آنچه درپرده های حمام مورد استفاده قرار میگیرد ممکن است به تنهایی دچار احتراق شوند.

جدول 9-2 شاخص اکسیژن برای پلاستیکهای مختلف

انتقال حرارت

نرخ انتشار حرارت تا حد زیادی تعیین کننده ی شدت و سرعت گسترش آتش می باشد.  PVC  سخت دارای حرارت احتراق بالاتری نسبت به چوب و کاغذ می باشد.امانرخ انتقال حرارت آن به طور قابل ملاحظه ای کمتراز بسیاری از مواد آلی است.این نرخ آرام انتقال حرارت به این معنی است که بعید به نظر می رسد سوختن PVC سخت گرمای لازم برای آتش گرفتن اشیاء نزدیک به خود را ساتع کند.
احتراق برای مواد مختلف در جدول (9-3) ذکرشده است.
علاوه براین موادی که برای نرم کردن PVC به آن اضافه می شود ممکن است باعث افزایش سرعت انتقال حرارت شوند.. با انتخاب دقیق افزودنی ها این اثر می تواند کنترل شود.

جدول 9-3 دمای احتراق برای مواد مختلف  (KJ/Kg)

گسترش شعله

بسیاری از فرمولاسیون های ارائه شده برای PVC حدود گسترش شعله را در تستهای استاندارد آزمایشگاهی نشان می دهد، به عنوان مثال آنها ممکن است که در آزمون اشتعال پذیری آزمایشگاهی به رتبه ی 94 v-o برسند. در آزمون ملی ساختمان تعداد زیادی از فرمولاسیون های PVC برای بهترین طبقه بندی ممکن برای مصالح ساختمانی قابل احتراق، واجد شرایط هستند.

جدول 9-4 نمونه تست عملکرد ملی ساختمان

کلاس (1) : معمولا" فقط با PVC اصلاح شده یا زمانی که با زمینه ی مواد غیرقابل احتراق مانند بتن درست می شود،بدست می آید. براساس B S 476 قسمت 7 ، موادی که از بسترشان جدا می شوند غیرقابل طبقه بندی هستند.
کلاس (0) : از آئین نامه ساختمان انگلستان که بوسیله عملکرد مناسب در هر دو قسمت 6 و7 از B S 476 بدست می آید.

فرمولاسیون های PVC  برخلاف بسیاری از مواد ترموپلاستیک (گرمانرم) دیگر، وقتی که می سوزند چکه نمی کنند. اما به جای گسترش خواص کربن که انتشار آتش را مهار می کند، انتشار کلرید هیدروژن جهت تجزیه ی PVC و همچنین مهار احتراق در نظر گرفته می شود.

انتشار دود

دود تولید شده بوسیله ی سوختن مواد مساله مهمی می باشد زیرا ممکن است باعث ابهام در مسیرهای خروجی از موقعیت آتش سوزی شود و سردرگمی قربانیان را بهمراه داشته باشد و مانع فرار آنها گردد.
دود نتیجه ی احتراق ناقص از سوختن یک ماده است و به عنوان تعریفی از پراکندگی ذرات جامد یا مایع موجود در گازهای احتراق لحاظ می شود. حدود و نوع دود تشکیل شده بستگی به فاکتورهایی مانند :
شدت آتش و مقدار  اکسیژن و  همچنین طبیعت سوختن مواد دارد.

تحت شرایط غیر احتراقی (غیر شعله ور)، تراکم دود تولید شده توسط PVC مشابه آن دست از محصولاتی است که از چوب تولید شده اند. تحت شرایط شعله و سوختن، PVC تولید دود بیشتری میکند. اما با این حال نرخ پائین آزاد شدن حرارت در هنگام سوختن PVC به این معنی است که سرعت انتشار دود بر واحد زمان کمتر از عمده ی موادآلی می باشد و این باعث فراهم کردن زمان بیشتری برای فرار از آتش می شود.
ویژگی انتشار دود از مواد در اداره ی ملی ایالات متحده با یکدیگر مقایسه می شود وبا استانداردهای محفظه ی دود تحت شرایط مشخص در استاندارد هایی مانند  BS 6401 بررسی می گردد. این ارزیابی برای طیف وسیعی از مصالح ساختمانی در جدول 9-5 داده شده است.

جدول9-5 اندازه گیری انتشار دود در محفظه ی دو و در اداره ملی ایالات متحده ( براساس شرایط استاندارد BS 6401)

انتشار گازهای سمی

تمام مواد آلی،طبیعی یا مصنوعی در اثر احتراق،گازهای سمی تولید می کنند. محصولات عمده ی گاز ناشی از احتراق PVC شامل:منوکسیدکربن-دی اکسیدکربن-کلریدهیدروژن و اب هستند. گاز کلرین هرگز زمانی که PVC می سوزد تولید نمی شود، در حالی که این احتمال داده شده است که در حین سوختن PVC گاز فسژن تولید شود.
دی اکسین ها و فوران ها زمانی می توانند تشکیل شوند که ماده ی PVC سوزانده شده باشد. هرچند به نظر می رسد  یک نتیجه گیری قطعی از آزمونهای آزمایشگاهی، برای تشخیص مقادیر تولید شده از سوختن PVC در شرایط واقعی احتراق دشواراست. تحقیقاتی که در مورد آتش سوزی انجام شد نشان دهنده ی مقادیر قابل توجهی از PVC سوزانده شده بود که این مقادیر بسیار کمتر از مقداری بود که در آزمون های ازمایشگاهی ممکن است انتظار رود. به عنوان مثال: در انباری در هولمسوند سوئد مقادیر زیاد از PVCو کفپوش PVC آتش گرفت. شرایط آب وهوایی در زمان آتش سوزی برای اندازه گیری مقادیری از دی اکسین های تشکیل شده مناسب بود .تجزیه وتحلیل انجام شده در آن زمان نشان داد میزان دی اکسین ها و فوران های تولید شده در اثر سوختن PVC یک هزارم مقدار وزنی پسماندهای ناشی از سوختن گیاهان در سال 1980بود.علاوه براین چند آزمون نشان داد که چوب می تواند منبعی از دی اکسین ها در زمان آتش سوزی باشد بنابراین در نظر گرفتن تنها یک منبع برای آتش سوزی ساختمان دشوار خواهد بود. یک بازبینی انجام گرفته درانگلستان لیستی از تمام منابع شناخته شده از دی اکسین ها در اتمسفر این کشور که  ناشی از آتش سوزی تصادفی می باشند را فراهم کرد. نسبت اهمیت منابع مختلف در نمودارهای (شکل های)1-9 و 1-9 به ترتیب در انگلستان و برلین نشان داده شده است. احتراق تصادفی نشان دهنده ی بخش کوچکی از کل گنجایش است.

نمودار1-1 سهم نسبی تخفیف زده شده از کل TCDDمنتشر شده در اتمسفر از منابع

نمودار 1-2 کل دی اکسین موجود در فرمولاسیون =%0.01 منبع: "تأثیر سوزاندن زباله بر روی انتشار دی اکسین"

حضور گاز هیدروژن کلرید در مراحل اولیه آتش سوزی برای افراد بسیار مشخص و واضح خواهد بود، زیرا حضور این گاز باعث سوزش غشاهای مخاطی می شود و این مساله حتی در غلظت های خیلی پایین تهدیدی برای سلامتی به حساب می آید. بنابراین هیچ هشداری از آتش سوزی که به تنهایی از مونوکسیدکربن ایجاد شده باشد در دسترس نیست. در غلظتهای بالاهیدروژن کلرید می تواند باعث اسیب  ریوی گردد اما این ماده نسبت به منوکسید کربن که یک جز اصلی تمام آتش سوزی ها است، برای زندگی حیوانات  سمیت کمنری دارد.
این گاز به نسبت گازهای دیگری مانند:اکرولین و هیدروژن سیانید که می تواند بوسیله ی احتراق از دیگر مواد رایج مانند:چوب ،چرم و پشم تشکیل شود نیز  به طور قابل توجهی سمیت کمتری دارد.

سازمان ملل متحد مواد را براساس شدت سمی بودنشان  به سه دسته تقسیم بندی می کند؛زیان آور – سمی و بسیار سمی که هیدروژن کلرید به همراه مونوکسید کربن در دسته ی زیان آور قرار می گیرند. نتایج مشابهی بوسیله ی بنیاد ایالات متحده برای سم شناسی کاربردی احتراق در مورد 1986 بدست آمد. 

به دنبال آن تحقیقات انجام شده حاکی از آن است که محصولات ناشی از احتراق PVC به طور قابل ملاحظه ای سمیت  کمتری از دیگر مصالح ساختمانی دارند. سمیت بالقوه گازهای مختلف حاصل از احتراق بامواد رایج دیگر از نظر مقدار LD50(دوزکشنده) در جدول (9-6) باهم مقایسه شده اند.

جدول9-6 پتانسیل بالقوه ی گازهای سمی ناشی از احتراق و مواد رایج دیگر که مقدار LD50(دوز کشنده) برای آنها اندازه گیری شده است.

خطرخوردگی

سوزاندن PVC، مخلوطی از گازها از جمله هیدروژن کلرید را ایجاد می کند. این مساله ممکن است به این امر سوق پیدا کند که PVC نباید در کاربرد های ساختمانی استفاده شود، در مقابل این مساله باید عوامل دیگر در نظر گرفته شوند قطعات PVC می توانند به طوری فرمول بندی شوند که یک عملکرد فنی خوب و مقاومت بالایی در مقابل اشتعال و گسترش شعله داشته باشند، همچنین فرمولاسیون در کاهش مقدار هیدروژن کلرید آزاد شده هم می تواند نقش داشته باشد. نظریه ایی وجود دارد مبنی بر اینکه هیدروژن کلیرید آزاد شده از سوختن PVC  ممکن است  به  فولاد تقویت شده ی داخل بتن آسیب بزند یا به طور قابل ملاحظه ایی ساختار فولاد را تضعیف کند. پایگاه تحقیقات آتش بریتانیا نشان داده است که فولاد تقویت شده در حالت معمول تحت تاثیر گازها قرار نمی گیرد. همینطور این مساله تایید شده است حرارت ، برای سازه های فولادی محافظت نشده، به نسبت گازهای هیدروژن کلرید آسیب بیشتری به همراه دارد.
برای کاربردهای با احتمال آتش سوزی بالا، برای مثال:سکوهای نفتی، تأسیسات هسته ای بسیارگران قیمت ،مواد عایق با عملکرد بالا به نسبت PVC دارای ارجحیت می باشند. هزینه عملیات پاکسازی بعد از آتش سوزی بایستی کل هزینه ی ناشی از آسیب های آتش سوزی راهم شامل شود. در صورتی که فقط پاک کردن دوده ی حاصل از آتش سوزی مد نظر باشد، قسمت هایی که در معرض کلرید بوده است هم می تواند پاکسازی شود. این مساله می تواند توسط مامورین نجات آتش نشانی یا مشاورین شرکت های بیمه تشخیص داده شود.