pvc و آتش

بسیاری از مطالعات نشان می¬دهد که شروع و پیشرفت آتش سوزی موضوعات پیچیده ای هستند که باید در بررسی سهم وضعیت اشتعال یک ماده در نظر گرفته شوند. به این عوامل و جزئیات آن در زیر پرداخته شده است. 

مواد پلاستیکی مختلف که در صنعت ساختمان استفاده می¬شوند، واکنش¬های متفاوتی نسبت به آتش دارند. پلیمر  PVC(پلی¬وینیل¬کلراید) با محتوای کلر بالا در مقایسه با سایر پلاستیک¬ها 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. غلظت¬های 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، اما باتوجه به فرمول پذیر بودن PVC و استفاده از مواد افزودنی ویژه می¬توان انتشار دود هیدروژن کلرید را به شدت کاهش داد. مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می¬دهند، گازهایی که از آتش گرفتن PVC حاصل می¬شوند به میزان قابل توجهی کمتر از دیگر مواد رایج ساختمانی سمی هستند و استفاده ازPVC  به جای مواد ساختمانی سنتی، تغییر قابل¬توجهی در خطرات ناشی از آتش سوزی  ساختمان¬ها ایجاد می¬کند. در ادامه ارزیابی دقیق از عملکرد PVC در آتش¬سوزی ارائه شده است.

PVC ذاتا  نسبت به احتراق مقاوم است. درجه حرارت موردنیاز برای احتراق UPVC، C°150 بالاتر از دمای آتش گرفتن چوب، C°50 بالاتر از PE (پلی¬اتیلن) و C°70 بالاتر از PP (پلی¬پروپیلن) است، که نشاندهنده این است که نسبت به سایر لوله¬ها بسیار دیرتر آتش می¬گیرد. اما PVC  نرم مقاومت پایینی در مقابل سوختن دارد که این اشکال با اصلاح فرمول می¬تواند بطور قابل ملاحظه¬ایی بهبود یابد. در جدول (1) دمای احتراق براساس استاندارد ASTM D1929  اندازه گیری شده و برای مواد مختلف ذکر شده است.

جدول 1: دمای احتراق برای مواد مختلف (ASTM D1929)

1- FLASH IGNITION : پایینترین درجه دمایی است که در آن از ماده، بخاری قابل احتراق ساطع می‌شود.

2- SELF IGNITION : پایینترین دمایی است که یک ماده بدون هیچ محرک خارجی مانند جرقه یا شعله در جو معمولی خودبه¬خود آتش می‌گیرد.

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

ماده ای با مقدار  (Limit Oxygen Index) LOIبالاتر از 21 (هوا شامل 21%اکسیژن است)، نباید در هوا و در دمای اتاق دچار سوختگی شود و مقدار بالای 25 تا 27 به این معنی است که این ماده تنها تحت حرارت بسیار بالا خواهد سوخت. شاخص حدی اکسیژن UPVC، 50 می باشد که بسیار بیشتر از چوب با LOI  بین 21 تا 22، PE و PP با LOI 17 است و نشاندهنده مقاومت قابل توجه در برابر اشتعال می-باشد. برای PVC نرم نیز مقدار LOI بالاتر از 27 است. اهمیت این موضوع در این است که بیشتر PVCهای سخت و نرم به تنهایی و بدون استفاده از منابع گرمایی نخواهند سوخت.  مقدار شاخص حدی اکسیژن در دمای اتاق،  برای مواد مختلف در جدول(2) ذکر شده است. 

جدول 2: شاخص اکسیژن برای پلاستیک¬های مختلف

3- سوزاندن مواد با انتقال حرارت 

نرخ انتشار حرارت تا حد زیادی تعیین کننده شدت و سرعت گسترش آتش می¬باشد و هرچه این نرخ کمتر باشد، نشاندهنده انتقال کمتر دما به محیط اطراف است. همانطور که ذکر شد، UPVC دارای دمای احتراق بالاتری نسبت به بسیاری از مصالح ساختمانی دیگر می¬باشد و نرخ انتقال حرارت آن به طور قابل ملاحظه¬ای کمتر از بسیاری از مواد آلی است. این نرخ انتقال حرارت کم، به این معنی است که بعید به نظر می-رسد سوختن UPVC گرمای لازم برای آتش گرفتن اشیاء نزدیک به خود را ساطع کند. انرژی ویژه احتراق برای مواد مختلف در جدول(3) ارائه شده است و همانطور که می¬بینیم، این انرژی برای PE، Kg/KJ 46500 و برای PP، Kg/KJ 46000 است درصورتیکه برای UPVC، Kg/KJ 20000 می¬باشد.

شایان ذکر است موادی که برای نرم کردن PVC به آن اضافه    می¬شود ممکن است باعث افزایش سرعت انتقال حرارت شوند که با توجه به قابلیت فرمولبندی PVC و انتخاب دقیق افزودنی ها این اثر نیز می تواند کنترل شود.

جدول 3: انرژی ویژه احتراق برای مواد مختلف  (KJ/Kg)

گسترش شعله یا سرعت آتش¬گیری سطوح با علامت اختصاری FSI، نوعی رتبه¬بندی حاصل از روش آزمون آزمایشگاهی بوده که گرایش مواد به سوختن و گسترش شعله¬های آتش را تعیین می¬کند. این شاخص بدون یکا در سه بازه A تا C تعریف شده است. بازه A (0 تا 25)، بازه B (26 تا 75) و بازهC  (76 تا200) که در آن A میزان گسترش کم و C به معنی گسترش سریع   می¬باشد. این شاخص برای PVC 15، PE 98 و GRP 40 می¬باشد که نشاندهنده گسترش کم شعله توسط PVC نسبت به سایر مواد می¬باشد. 

دود تولید شده ناشی از سوختن مواد مساله مهمی می باشد زیرا ممکن است باعث ابهام در مسیرهای خروج از موقعیت آتش سوزی شده و سردرگمی قربانیان را بهمراه داشته و مانع فرار آنها گردد. دود، نتیجه احتراق ناقص از سوختن یک ماده است و به عنوان 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)، شاخص تراکم دود تولید شده توسط PVC ،400 می¬باشد که مشابه محصولات چوبی است و کمتر از PE با عدد 590 و PP با عدد 550 است که نشاندهنده تولید دود کمتر نسبت به آنهاست. تحت شرایط شعله¬ور،PVC  نسبت به چوب تولید دود بیشتری می¬کند. 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 مواد مختلف در اداره ی ملی ایالات متحده با یکدیگر مقایسه شده¬است و با استانداردهای محفظه دود تحت شرایط مشخص مانند BS 6401 بررسی گردیده¬اند. این ارزیابی برای طیف وسیعی از مصالح ساختمانی در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول4: اندازه گیری انتشار دود در محفظه دود در اداره ملی ایالات متحده (براساس شرایط استانداردBS 6401)

تمام مواد آلی، طبیعی یا مصنوعی در اثر احتراق، گازهای سمی تولید می¬کنند. عمده گازهای ایجاد شده ناشی از احتراق PVC شامل منوکسیدکربن، دی¬اکسیدکربن، کلریدهیدروژن، آب،     دی¬اکسین، فوران و احتمالا فسژن هستند و گاز کلرین هرگز تولید نمی¬شود. تشخیص مقدار گازهای تولید شده ناشی از سوزاندن PVC در شرایط واقعی با استفاده از آزمون¬های آزمایشگاهی دشوار است اما تحقیقات نشان داده که مقادیر گازهای سمی در شرایط واقعی بسیار کمتر از مقادیر آزمون¬های آزمایشگاهی است. 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 مقادیر دی¬اکسین¬های تشکیل شده مناسب بود .تجزیه و تحلیل 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 1980 بود.

علاوه براین چندین آزمون نشان دادند که چوب می تواند منبع تولید دی¬اکسین 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 را فراهم کرد. نسبت اهمیت منابع مختلف درشکل 1 نشان داده شده است. 

شکل1: منابع دی¬اکسین¬ها در اتمسفر کشور انگلستان

در مراحل اولیه آتش¬سوزی حضور گاز هیدروژن¬کلرید برای افراد بسیار ملموس خواهد بود، زیرا این گاز باعث سوزش غشاهای مخاطی می شود و این مساله حتی در غلظت¬های خیلی پایین تهدیدی برای سلامتی بحساب می¬آید و در غلظت¬های بالا می¬تواند باعث آسیب  ریوی گردد. اما این ماده نسبت به منوکسید¬کربن که یک جز اصلی تمام آتش¬سوزی¬هاست و نیز اکرولین و هیدروژن سیانید که از احتراق موادی مانند چوب، چرم و پشم ایجاد می¬شود نیز 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 توسط بنیاد ایالات متحده برای سم شناسی کاربردی احتراق در سال 1986 بدست آمد. باتوجه به تحقیقات انجام شده، مشخص شده که گازهای ناشی از احتراق PVC  بطور قابل¬ملاحظه¬ای نسبت به سایر مصالح ساختمانی کمتر سمی هستند. سمیت بالقوه گازهای مختلف حاصل از احتراق با مواد رایج دیگر از نظر مقدار LD50 (دوزکشنده) در جدول 5 باهم مقایسه شده اند.

جدول5:پتانسیل بالقوه ی گازهای سمی ناشی از احتراق و مواد رایج دیگر که مقدار LD50(دوز کشنده) برای آنها اندازه گیری شده است

سوزاندن PVC، مخلوطی از گازها از جمله هیدروژن کلرید را ایجاد می کند که ممکن است سبب شود مصرف کنندگان از PVC در ساختمان استفاده نکنند. اما باید این مسیله را درنظر گرفت که PVC برخلاف سایر رقبایش قابلیت فرمولبندی دارد و می¬تواند به طوری فرمول¬بندی شوند که یک عملکرد فنی خوب و مقاومت بالا در مقابل اشتعال و گسترش شعله داشته باشد. حتی می¬توان با فرمولبندی مناسب، مقدار هیدروژن کلرید آزاد شده را هم کاهش داد.

 نظریه¬ایی هم مبنی بر اینکه هیدروژن کلرید آزاد شده از سوختنPVC  احتمالا  به  فولاد تقویت شده داخل بتن آسیب می¬زند یا ساختار فولاد را تضعیف می¬کند، وجود دارد. پایگاه تحقیقات آتش بریتانیا نشان داده است که فولاد تقویت شده در حالت معمول تحت تاثیر گازها قرار نمی¬گیرد و برای سازه¬های فولادی محافظت نشده نیز حرارت نسبت به گاز هیدروژن کلرید آسیب بیشتری به همراه دارد.

اکثر پلیمرها پس از قرارگیری در مقابل شعله، شروع به سوختن با شعله آبی رنگ می¬کنند و پس از مدتی کل محصول سوخته و تیره رنگ می¬شود و بخارات از آن متصاعد می¬شود. اما UPVC به دلیل وجود کلر، به طور ذاتی در برابر آتش مقاوم است. وقتی شعله در تماس با پلی-وینیل¬کلراید صلب (UPVC) قرار می¬گیرد، یک لایه ذغالی محافظ تشکیل می¬شود که زیر ماده را عایق¬بندی کرده و مانع از رسیدن اکسیژن ضروری برای احتراق می¬شود. وجود این ناحیه سوختن را محدود می¬کند. همچنین هیدروکلریدریک اسید منتشر شده به عنوان بازدارنده احتراق عمل می¬کند. وقتی منبع آتش برداشته شده، خاموش می¬شود و این امر یکی از مزایای این لوله¬ها نسبت به سایر لوله¬های پلیمری محسوب می¬شود. 

باتوجه به بررسی قابلیت اشتعال پذیری و دمای اشتعال PVC، درصورتیکه لوله¬های UPVC از کیفیت مناسبی برخوردار باشند، می¬توان آن¬را به عنوان یک ماده دیرسوز درنظر گرفت. همچنین همانطور که ذکر شد PVC نسبت به سایر مواد، در هنگام احتراق، حرارت کمتری به محیط اطراف می دهد که این سبب دیرتر آتش گرفتن محیط اطراف می¬شود. میزان انتشار شعله، دود و گازهای سمی ناشی از PVC نیز بسیار کمتر از سایر مواد می¬باشد. بطور کلی باتوجه به مزیت مهم خاصیت خود خاموش شوندگی PVC و سایر مزایا مذکور و نیز مقایسه با لوله¬هایی از مواد دیگر مانند پلی اتیلن (PE)، استفاده از لوله¬هایUPVC  احتمال آتش¬سوزی در ساختمان را بسیار کاهش می¬دهد و خطرات زیست محیطی و سمی کمتری برای انسانها و محیط اطراف دارد.