Энергия связи и горючесть полимеров. Между теплотами сгорания, теплотами образования и энергиями связей существует функциональная зависимость [6]. Теплоты сгорания, кислородные индексы и показатели возгораемости взаимосвязаны. Для трудносгораемых полимеров удельные теплоты сгорания составляют менее 21,0 МДж/кг. Для остальных полимеров удельные теплоты сгорания выше указанного, причем отличить по их значениям сгораемые полимеры от трудносгораемых практически невозможно. Например, самозатухающие, судя по кислородным индексам, полигексаметиленадипамид и полихлоропрен выделяют при сгорании столько же или даже больше тепла, чем сгораемые полиметилметакрилат и полиэтилентерефталат. Правда, если сравнить теплоты сгорания, приходящие на связь, то для первых двух полимеров они больше, чем для полиметилметакрилата и полиэтилентерефталата.

Для приближенной оценки затрат на разрушение связи в полимерах в сочетании с удельной теплотой сгорания можно использовать энергоемкость (q) средней связи:

где АНСГ - теплота сгорания полимера, 1 - число связей в полимере.

Энергоемкость средней связи симбатно меняется с изменением энергии средней связи. Обычно для сопоставления термостабильности и в ряде случаев огнестойкости полимеров непосредственно используют значения энергии связей. Однако сопоставление суммы энергии связей с горючестью полимера может принести успех лишь при сочетании у полимеpa термостабильности и термостойкости. С увеличением содержания прочных связей C-F в полифторолефинах повышается значение кислородного индекса и уменьшается показатель возгораемости К.

При наличии в полимерах связей С=О, О-Н, Р=0, S=0, C=N, Si-O, B=N, P=N, энергия которых велика, горючесть полимеров снижается. Введение в полимеры ароматических колец может снизить горючесть полимера и повысить предел огнестойкости. Некоторые трудносгораемые полимеры, например, содержащие галогены или фосфор, не являются термостабильными из-за разрушения связей С-С1, С-Вг, группировок Р-О-С. Пониженная горючесть в этих полимерах обусловлена процессами, ин-гибирующими в поверхностной и предпламенной зонах воспламенение и развитие горения.

Пользуясь значениями средних энергий связей, трудно дать даже приближенную характеристику предлагаемым тепловым свойствам, так как в реальных полимерных телах энергии связей существенно зависят от окружения этих связей. Кроме того, нередко при разрушении полимеров значительную роль играют процессы термического гидролиза, окисления, которые, так же как термическое разложение, оказывают влияние на процессы массо- и теплопереноса.

Влияние некоторых физических параметров полимеров на их горючесть [6, 15]. Горение большинства полимеров, как указывалось выше, является гетерогенным, диффузионным процессом. При этом следует отметить, что диффузионные процессы играют более важную роль, чем химическая активация пиролиза. Это заключение основано на том, что значения кислородных индексов не зависят от химического состава полимера при повышении температуры окружающей среды. Существенное влияние на диффузионные процессы оказывает физическая структура материала или полимера и такие свойства, как плотность, кристалличность, анизотропность, растворимость, набухаемость, газопроницаемость и другие, которые являются проявлениями физической структуры. Физическая структура обусловлена химическим строением полимера, его составом и способом получения, она зависит от сил межмолекулярного взаимодействия и представляет собой наиболее выгодное по плотности упаковки образование макромолекул в данных условиях.

В работе [16] выявлена связь физической структуры полимеров с их горючестью и коксуемостью. Установлено, что при обычных условиях графитизации полиакрилонитрила надмолекулярная структура и ориентация макромолекулярных цепей сохраняется в широком интервале температур (от 20 до 2800 °С) вплоть до образования углеродного материала. Следует отметить, что анизотропия (текстура) в полимерах сохраняется при графитизации в «переходных формах» углерода и в углистом остатке после карбонизации полимера. В качестве примера сохранения текстуры материала можно привести процессы получения углеродных материалов из фенолформальдегидных смол, некоторых полиимидов [6].

Процессы получения углеродных материалов обычно проводят в атмосфере инертного газа при ступенчатом повышении температуры, однако исключить вероятность протекания аналогичных процессов в зоне пиролиза при горении, особенно в том случае, когда материал содержит группировки, способствующие коксованию. Например [17], при наличии в полимерных материалах борфосфор-, фосформеталл- и фосфорсодержащих группировок резко увеличивается выход коксового остатка при линейном пиролизе или горении. Кроме того, эти группировки способствуют формированию упорядоченных форм углерода в условиях карбонизации и графитизации.

Фосфорсодержащие трехмерные полиэфиры с упорядоченной структурой проявляют большую стойкость к огню, чем их аморфные аналоги [6]. При наличии кристалличности, анизотропии в полимерах плотность их повышается, что существенно влияет на горючесть полимерных материалов. Кроме того, увеличение числа сшивок в трехмерных полимерах повышает горючесть.

Следует отметить, что энергия когезии некоторых группировок полимерных макромолекул также играет важную роль в огнестойкости материала.

Так, в ряду галогенсодержащих групп энергия когезии уменьшается при переходе от Вг к С1 и от С1 к F, что соответствует изменению горючести в этом ряду. В частности, присутствие брома в полимере более эффективно содействует уменьшению горючести, чем такое же количество хлора или фтора. Аналогичные сопоставления можно провести между энергиями когезии и коксовыми числами полимеров. Из этих сравнений следует, что при уменьшении содержания метиленовых групп или при введении вместо них ароматических, амид-ных, аминных, гидроксильных, сложноэфирных или галогенсодержащих групп коксовые числа увеличиваются [6].

Учитывая сказанное о влиянии физической структуры на процессы коксования, симбатное изменение энергии когезии и коксовых чисел можно легко объяснить.

Наличие в полимерах таких гетероатомов, как фосфор, бор, барий, кальций, способствует, как уже указывалось, структурированию и увеличению выхода кокса. Объясняют это образованием на поверхности материалов минеральных поверхностных слоев. Например, высокий коксовый остаток полиарилатов, содержащих в цепи карборановые группы, обусловлен образованием минеральной пленки брутто-формулы В203. Считают, что аналогичные защитные пленки образуются на поверхности материала, содержащего фосфор или металл [18, 19]. Это является причиной снижения их горючести.

1.3 Способы снижения горючести полимерных материалов

Методы снижения горючести полимерных материалов основаны на следующих принципах:

изменение теплового баланса пламени за счет увеличения различного рода теплопотерь;

снижение потока тепла от пламени на полимер за счет создания защитных слоев, например образующего кокса;