Дипломная работа: Огнестойкое стекло "Пиран"

Дипломная работа: Огнестойкое стекло "Пиран"

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему:

«Огнестойкое стекло «Пиран»

2009

Реферат

Пояснительная записка состоит из 155 листов, 26 таблиц, 18 рисунков, содержит 134 источников литературы и 1 приложения.

ОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО, СОСТАВ, МЕХАНИЗМЫ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, ОГНЕЗАЩИТА, ОГНЕСТОЙКОСТЬ, ПОКАЗАТЕЛИ ГОРЮЧЕСТИ, СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА.

Проведен анализ научно-технической, патентной документации по проблемам снижения горючести органического стекла. Установлена возможность использования галоген-, фосфорсодержащих замедлителей горения для снижения горючести органического стекла.

Исследовали свойства исходных компонентов и взаимодействие их в композиции.

Установлены механизмы полимеризации глицидилметакрилата и сополимеризации глицидилметакрилата + трихлорэтилфосфата.

Выбраны соотношение компонентов и параметры полимеризации.

Предложена технологическая схема получения органического стекла пониженной горючести с элементами автоматического регулирования процесса.

Предусмотрены меры безопасного ведения производства и решены экологические проблемы в производстве органического стекла.

Рассчитаны основные технико-экономические показатели проекта, доказывающие его рентабельность.

Содержание

Введение

1. Технологический раздел

1.1  Исследовательская часть

1.2  Технологическая часть

2. Раздел «Безопасность проекта»

3. Раздел «Экологичность проекта»

4. Автоматика

5. Организационно-экономический раздел

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Одной из наиболее быстро развивающихся областей химической промышленности является производство полимерных материалов. Но потребность в синтетических материалах постоянно растет и не удовлетворяется существующим уровнем их производства. Рост производства и потребления многих полимерных материалов в различных областях техники несколько сдерживается из-за ряда серьезных недостатков, присущих таким материалам, в частности их повышенной пожароопасности.

Во всем мире уделяется большое внимание повышению пожарной безопасности. Для её обеспечения помимо активных средств предупреждения и защиты от развития очага пожара, в конструкции должна использоваться пассивная защита, затрудняющая возникновение и предотвращающая развитие очага пожара, т.е. должны применяться материалы, имеющие низкую пожарную опасность. Наиболее перспективным направлением является модификация существующих многофункциональных полимеров.

Результатом научно-исследовательских работ, инициированных крупными зарубежными фирмами-производителями изделий из стекла, стало появление в последнее время различных видов светопрозрачных противопожарных конструкций, применяемых в строительстве. Среди наиболее известных компаний, освоивших выпуск огнезащитных стёкол, можно назвать такие известные мировые бренды, как Saint Gobain, SHOTT и другие.

Компания Saint Gobain, предлагает пожаростойкое стекло «Файветар» толщиной 5 мм, которое является самым тонким и экономичным стеклом, специально созданным для использования внутри здания там, где 30‑минутная устойчивость к повышенным температурам соответствует нормам пожарной безопасности. «Файветар» является монолитным стеклом с механической прочностью, возможным для использования в дверях и перегородках в местах, где интенсивное движение людей должно быть защищено.

Одним из видов продукции компании SHOTT, занимающейся производством всех видов стекла, – огнестойкое стекло «Пиран», которое немецкая компания позиционирует как самое тонкое стекло в мире. По информации специалистов компании, такое стекло толщиной 5 мм можно применять в тех случаях, где огнестойкость строительных конструкций должна составлять от 30 до 60 мин.

В России специальные противопожарные стекла практически не производятся, используются армированные листовые. При пожаре такое стекло может треснуть, однако арматура удержит осколки на месте, предотвращая тем самым распространение огня. При строительстве новых крупных объектов противопожарные стекла обычно закупают за рубежом. Таким образом, выпуск светопрозрачных огнеупорных строительных конструкций является актуальной проблемой.

Несмотря на довольно значительное количество производителей, объёмы производства и реализации противопожарного стекла в России ещё очень малы, что обусловлено его высокой стоимостью. Тем не менее, тема пожаростойкого остекления активно развивается, наблюдается положительная динамика увеличения объёмов потребления. На повестке дня – испытания новых видов пожаростойких светопрозрачных конструкций.

Таким образом, создание полимерных материалов с пониженной горючестью, в том числе органического стекла, представляет собой весьма актуальную задачу. Это не только поиск оптимального замедлителя горения для конкретного материала и снижения его горючести, а также сохранение и улучшение всего комплекса свойств полимера.

1. Технологический раздел

1.1 Исследовательская часть

1.1.1 Информационный анализ с целью выбора направления исследования

Полимеры для органического стекла

Органическое стекло-это техническое название прозрачных в видимой части спектра твердых полимерных материалов. Органическое стекло находит широкое применение. В нем испытывают потребность: промышленность и транспортное строительство, авиастроение, радиотехника, приборостроение, медицина и сельскохозяйственное производство.

К числу полимеров, используемых для производства органического стекла относятся: полиметакрилаты, полиакрилаты, полистирол, поликарбонаты, сополимеры эфиров целлюлозы, полимеры аллиловых соединений, сополимеры винилхлорида.

Сополимер метилметакрилата с акрилонитрилом, поликарбонат, эфиры целлюлозы и сополимер винилхлорида с метилметакрилатом обладают достаточной атмосферостойкостью. Полистирол менее атмосферостоек; при длительном воздействии солнечного света он желтеет и становится хрупким.

Среди оптических свойств органического стекла наиболее важны показатель преломления, оптическая прозрачность, оптическое искажение и фотоупругость.

В табл. 1.1 приведены показатели преломления некоторых органических стекол, измеренные относительно воздуха в свете желтого дуплета Na

Таблица 1.1. Показатели преломления органических стекол

От одной поверхности листового ПММА стекла отражается 3,5–4% падающего светового потока, а от двух – 8%. Таким образом, оптическая прозрачность ПММА органического стекла не может превышать 92% при условии, что рассеяние и поглощение света равны нулю.

Оптическая прозрачность полистирола, поликарбоната, полидиэтиленгликоль – бис –, составляет до 90%, сополимера метилметакрилата с акрилонитрилом‑85%, сополимера винилхлорида с метилметакрилатом – 75%. Эфироцеллюлозные органические стекла пропускают свет различной длины неодинаково. Так, оптическая прозрачность для излучений с длиной волны 300, 400, 500 и 600 нм составляет 12–20, 23–55, 70–80 и 85–90%.

По оптической прозрачности органические стекла делят на прозрачные в блоке и прозрачные только в пленках. К первой группе относятся полимеры и сополимеры метилметакрилата, полистирол, поликарбонат и др. полимеры, обладающие незначительным поглощением света; ко второй – органические стекла на основе эфиров целлюлозы, винипроз, литые эпоксидные и феноло-формальдегидные смолы. Основные свойства оптических материалов приведены в таблице 1.2.

Полистирол и ПММА относятся к числу наиболее известных и широко используемых полимеров с высоким светопропусканием, однако, они характеризуются недостаточной устойчивостью к тепловым, химическим и абразивным воздействиям. Указанных недостатков лишены аллиловые полимеры, которые превосходят ПММА по абразивостойкости в 30–40 раз и по теплостойкости на 30–60°C. Наиболее распространенным для получения аллиловых полимеров является полидиэтиленгликоль бис –.

Таблица 1.2. Основные свойства оптических материалов

1при 293–330 К 2при 330–378 К

У аллиловых производных в сравнении с ПС и ММА пониженная реакционоспособность. Полиаллиловые материалы устойчивы к атмосферным воздействиям, действию органических растворителей, разбавленных растворов, кислот и щелочей. Они обладают высокой стойкостью к старению, причём их механическая деформация не сопровождается ухудшением светопропускания. Достоинством полиаллилкарбонатов является устойчивость к биологическим средам, к действию микробов и грибков, что необходимо, при изготовлении контактных линз.

Единственный серьёзный недостаток этих материалов состоит в их сравнительно высоком температурном коэффициенте линейного расширения, на порядок превышающем этот коэффициент для силикатных стёкол.

Недостатком ПММА, ПС и их сополимеров является низкая теплостойкость и ударопрочность. Значительно выше эти характеристики у ПК, который характеризуется приемлемой прозрачностью, термостойкостью, ударной прочностью, низким влагопоглощением. Однако у него большоё двойное лучепреломление, он плохо формуется, имеет низкую твёрдость поверхности.

Полиуретанакрилаты отличаются от эпоксиполимеров, ПММА, ПС – их вязкоупругие свойства, обеспечивают возможность больших упругих деформаций, для них характерны высокая устойчивость к воздействию лазерного излучения, меньшие значения тепловыделения и объемной усадки .Недостатки: невозможность их использования в лазерной технике без кварцевых или стеклянных подложек, высокий температурный коэффициент показателя преломления.

Эпоксиполимеры характеризуются наличием упругих деформаций, не больше 1%. Невозможность больших упругих деформаций снижает устойчивость светопрозрачных полимеров к лазерным воздействиям.

Наиболее широкое распространение получило полиметилметакрилатное стекло.

Горение полимеров

Горение полимеров относят к горению твердых газифицирующихся топлив, в большинстве случаев, не содержащих окислителя в твердой фазе. Однако воспламенение и горение полимеров имеет ряд особенностей, которые надо учитывать при применении теорий, разработанных для твердых топлив. Горение полимеров представляет собой сложную совокупность многостадийных физико-химических превращений, происходящих в конденсированной и газовой фазах, а также на поверхности их раздела. Вследствие гетерогенности процесса очень большую роль играют площадь и свойства контактной поверхности горения.

На рис. 1.1. приведена схема горения полимеров. Естественно, что в зависимости от структуры полимера, характера его термического разложения, присутствия различных добавок, условий воспламенения и горения будут преобладать те или иные направления процесса из приведенных на схеме. Например, при горении одних полимеров наблюдается интенсивное каплепадение, при горении других преобладает коксообразование; полимерные материалы сильно различаются и по интенсивности саже – и дымообразования.

Общей чертой большинства схем горения является замыкание процесса в цикл с помощью так называемого обратного теплового потока от пламени к материалу, которым связаны два основных химических процесса – термическое разложение полимеров и горение продуктов деструкции.

Горение – быстрый экзотермический процесс окислительно-восстановительного превращения топлива, протекающий в большинстве случаев с образованием пламени. Горение углеводородов всегда сопровождается возникновением пламени. Горение большинства обычных полимеров имеет в основном тепловую природу. Тепловыделение в ходе процесса окисления приводит к повышению температуры и увеличению скорости реакции. При горении паров жидких веществ и диспергированных твердых веществ смешение с окислителем возможно либо до воспламенения, либо непосредственно в пламени за счёт диффузии компонентов. Считают, что горение обычных полимеров на воздухе протекает в диффузионном режиме.

На практике пламена полимеров не всегда являются чисто диффузионными, а чаще всего промежуточными между диффузионными и кинетически контролируемыми пламенами предварительно перемешанных газов.

Пространственную область, в пределах которой исходное вещество нагревается, воспламеняется и сгорает, называют волной горения. Высокотемпературную область пламени, где происходят основные реакции превращения горючей смеси, обычно называют фронтом пламени, особенностью которого является способность к распространению в горючей смеси. В диффузионном пламени фронт возникает в месте смешения горючих веществ с окислителем, и скорость горения определяется в основном скоростью диффузии окислителя в пламя, а не скоростью химических реакций.

Для удобства анализа и исследования сложный многостадийный процесс горения полимеров делят на следующие временные и пространственные зоны: прогрева; химических превращений в конденсированной фазе; «холодного» пламени; пламени; продуктов сгорания. Зоны процессов в газовой и конденсированной фазах разделяются поверхностью газификации.

Поверхностный слой полимера под действием тепла нагревается до температуры, при которой начинаются физические и химические превращения в конденсированной фазе, приводящие при более высокой температуре к термическому и термоокислительному разложению и газификации полимера. Поток продуктов разложения полимера в виде газа, пара, дыма, уносящий с собой диспергированные частицы не успевшего разложиться полимера, поступает в газовую фазу, где смешивается с окислителем и нагревается. Горючие продукты подвергаются дополнительному разложению и частичному окислению. Эту темную зону называют предпламенной или холоднопламенной.

Перенос тепла при горении полимеров осуществляется путем теплопроводности, конвекции и излучения, а для термопластичных полимеров еще и путем движения горячего расплава в виде капель, потеков или брызг. Вклад каждого вида переноса тепла в общий тепловой баланс зависит от характеристик горящей системы и условий, в которых она находится. Обратный тепловой поток от пламени к поверхности полимера функционально связан со скоростью горения.

Существенное влияние на распространение пламени оказывают частицы дыма, которые, будучи более активными излучателями, чем газы при той же температуре, способны усиливать теплопередачу за счет излучения на поверхность полимера. При интенсивном сажеобразовании светящиеся пламена полимеров обладают повышенной излучательной способностью, в результате чего увеличиваются тепловые потери в окружающую среду и обратный тепловой поток.

До сих пор недостаточно выяснена степень участия кислорода в деструкции полимеров при горении. Это является еще одной причиной отсутствия корреляции между термической стойкостью полимеров и их горючестью. Особый интерес вызывает вопрос о поступлении кислорода из зоны пламени к поверхности горящего полимера, поскольку от этого зависит вклад в общий процесс разложения полимера экзотермического процесса термоокисления и соотношение между обратным тепловым потоком от пламени и тепловым эффектом термоокислительной деструкции полимера.

В общем, поступление кислорода к поверхности полимера определяется условиями горения, а вклад термоокисления в общий процесс разложения полимера зависит не только от содержания кислорода у поверхности, но, как уже отмечалось, и от химического строения полимерной цепи, механизма и скорости деструкции полимера в данных условиях горения.

По характеру деструктивных превращений полимеры иногда условно делят на две группы. К первой группе относят полимеры, молекулярные цепи которых при высоких температурах полностью разлагаются до летучих низкомолекулярных продуктов или образуют очень небольшое количество нелетучего остатка. Из этой группы для полимеров винилового ряда основными процессами, определяющими состав образующихся продуктов, могут быть деполимеризация, реакции передачи цепи с последующим разрывом по р-связи или оба этих процесса. Из гетероцепных полимеров в эту группу входят простые и сложные алифатические полиэфиры и полиамиды.

Ко второй группе относят полимеры, при термическом разложении которых низкомолекулярные продукты образуются в результате отщепления атомов и групп, обрамляющих основную цепь макромолекулы, и внутримолекулярной перестройки, что сопровождается появлением двойных связей или циклов в цепи и поперечных связей между цепями вплоть до образования нелетучего, пространственно сшитого карбонизованного остатка. Сюда относят насыщенные полимеры винилового ряда с гидроксильными, сложноэфирными и галогенными заместителями, полиакрилонитрил, целлюлозу и большое число полимеров с ароматическими и гетероциклическими звеньями в цепи. Из этой группы иногда выделяют сшитые полимеры, образующие при термодеструкции в основном коксообразный остаток и очень мало летучих продуктов.

При разложении полимеров первой группы протекает практически полная газификация, что облегчает исследование их деструкции. При разложении полимеров второй группы на поверхности образуется карбонизованный нелетучий слой, изменяющий условия массо- и теплообмена на границе раздела газообразной и конденсированной фаз и влияющий на последующее разложение.

Возможные пути снижения горючести

Способы снижения горючести полимерных материалов можно рассмотреть на основе анализа схемы процесса горения, представленной на рис. 1.1. Диффузионное горение полимеров представляет собой многостадийный циклический самоподдерживающийся процесс, в котором определяющую роль играет взаимосвязанный перенос тепла и массы. Чтобы снизить горючесть, необходимо воздействовать на процесс горения в конденсированной и газовой фазах. В любом случае цель воздействия – разрыв цикла процесса горения в каком-либо месте. В зависимости от места и способа разрыва цикла горения можно в принципе предложить множество путей получения полимерных материалов с пониженной горючестью. Эти пути можно сгруппировать следующим образом:

1. Для замедления или подавления основного процесса, происходящего в конденсированной фазе и определяющего образование газообразного топлива, то есть процесса термической деструкции, приводящего к газификации полимера, можно: а) применять полимеры с повышенной термической стабильностью, например, полимеры с ароматическими или гетероциклическими звеньями в основной цепи, либо модифицировать полимеры, создавая сшитые структуры с помощью сшивающих агентов или ионизирующего излучения; б) использовать добавки, уменьшающие количество газообразных продуктов деструкции, например, направляющие процесс деструкции по пути образования нелетучего карбонизованного остатка; в) изменять теплофизические характеристики полимерного материала, вводя добавки, либо влияющие на теплоемкость или теплопроводность системы, либо разлагающиеся с поглощением тепла.

2. Для снижения скоростей реакций, происходящих в газовой фазе и поддерживающих процесс горения, можно: а) уменьшать концентрацию горючих газов, например, используя полимеры или добавки, разлагающиеся с выделением негорючих и малогорючих продуктов; б) ингибировать реакции, ответственные за разветвление цепного процесса горения, как химическим воздействием на активные центры пламени продуктов разложения замедляющих горение добавок или фрагментов полимерных цепей, так и дезактивацией активных центров в результате столкновения с аэрозольными частицами, образующимися при газификации и горении полимерных материалов.

3. Разрыв цикла горения возможен также на поверхности раздела между конденсированной и газовой фазами в результате изменения массо- и теплообмена между этими фазами. Это достигается предварительным нанесением на 'поверхность защитного покрытия или образованием защитного поверхностного слоя в ходе термического разложения полимерного материала). Покрытия могут быть трудновоспламеняемыми