ABC specjalisty - PVC podczas pożaru

Polichlorek winylu jest jednym z najbardziej uniwersalnych i powszechnych tworzyw sztucznych. Ze względu na swoje właściwości i trwałość jest najczęściej stosowanym w budownictwie tworzywem sztucznym. Szacuje się, że jego zużycie na świecie wynosi rocznie około 26 milionów ton. W krajach Unii Europejskiej całkowite wykorzystanie PVC wynosi około 4,6 miliona ton, a w Polsce ponad 200 tysięcy ton.

Niestety PVC, podobnie jak większość tworzyw sztucznych, stwarza poważne zagrożenie w warunkach pożaru¹. Pożary, w których PVC ulega spaleniu charakteryzują się gwałtownym i dynamicznym przebiegiem, w wyniku którego wydzielają się znaczne ilości dymu, sadzy i lotnych substancji toksycznych (toksyczne produkty rozkładu), a także powodują ściekanie PVC płonącymi kroplami. Występujące w środowisku pożaru produkty spalania lub rozkładu termicznego (pirolizy) tworzą złożoną mieszaninę gazów i zawieszonych cząstek, która jest niebezpieczna dla człowieka oraz destrukcyjnie oddziałuje na otoczenie. Polichlorek winylu klasyfikuje się jako materiał o II stopniu palności (trudno zapalny) i samogasnący (w płomieniu ulega spalaniu), zawierający około 53-55% chloru. Wyroby z PVC już w temperaturze ponad 70^oC zaczynają ulegać mechanicznej deformacji (mięknięcie i odkształcanie się), a w temperaturze około 190^oC zaczynają się rozkładać. Główne niebezpieczeństwo nie wiąże się jednak ze spaleniem samego PVC, lecz z faktem, iż w temperaturze około 200^oC następuje wydzielanie gazowych produktów spalania: tlenku węgla (podobnie jak w przypadku wszystkich innych materiałów palnych) i chlorowodoru - HCl (około 50% masy początkowej). W pomieszczeniu objętym pożarem temperatura przeważnie kilkakrotnie przekracza podaną wartość i może osiągnąć nawet 1000-1200^oC.
Działanie wysokiej temperatury w warunkach pożaru powoduje, że w betonie rozpoczynają się destrukcyjne procesy fizykochemiczne. Zachodzą one w poszczególnych składnikach betonu. Są to przede wszystkim reakcje rozkładu, przemiany fazowej i zmiany objętościowe. We wszystkich składnikach betonu podczas ogrzewania występują reakcje endotermiczne w charakterystycznych dla nich przedziałach temperatury. Wytrzymałość betonu na działanie ognia jest uzależniona od chemicznego i fizycznego zachowania się podczas pożaru użytych środków wiążących. Dzięki próbom i doświadczeniom pożarowym podawane są jednoznaczne informacje, iż wytrzymałość elementów budowlanych po ich ogrzaniu do 500^oC obniża się o jedną czwartą, a w temperaturze 650^oC więcej niż o połowę.

Tablica 1
Oddziaływanie temperatury pożaru na wygląd konstrukcji betonowej i cementowej

 Piaskowiec staje się kruchy przy temperaturze 573^°C
 Ściana murowana ulega zniszczeniu przy temperaturze 760^°C

Podczas pożaru i spalania się PVC opary wytworzonego chlorowodoru pokrywają wnętrze budynku i jego wyposażenie. Szacuje się, że w warunkach pożaru z jednego kilograma PVC wydziela się około 300 litrów chlorowodoru. Powstawanie tego gazu w warunkach pożaru oprócz zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego powoduje również straty materialne w konstrukcji budynków i wyposażeniu, ponieważ niszczy on prawie wszystkie metale, oddziaływuje na beton, zaprawę wapienną oraz urządzenia i aparaturę.

Widok pomieszczenia po pożarze, w którym spaleniu uległo wyposażenie z tworzyw sztucznych;
Fot. Tomasz Sawicki

W pożarze hali fabrycznej zapalił się materiał do opakowania. Ogień objął także nieopakowane półwyroby z PVC. W rezultacie pożar zniszczył 20 ton tego tworzywa. Gryzący dym wypełnił pomieszczenie i przez otwarte drzwi dostał się do obu przyległych hal produkcyjnych. Po ugaszeniu okazało się, że palący się PVC nie wytwarza dużego żaru, gdyż nie pali się płomieniem. W rezultacie szkody spowodowane na skutek działania wysokiej temperatury były niewielkie, natomiast hale fabryczne wewnątrz były pokryte dużą ilością produktów spalania. Po oczyszczeniu ścian, słupów i wiązarów z osadów dymu stwierdzono, że wszystkie stalowe elementy budowlane pokrywa rdza, a po kilku dniach na oczyszczonych powierzchniach słupów, stropów i dźwigarów pokazały się jej nieregularnie rozmieszczone plamki średnicy kilku milimetrów. Z czasem było ich coraz więcej, aż ostatecznie utworzyły w jednakowych odstępach pasma świadczące o tym, że korozja dotarła do wkładek zbrojeniowych betonu.
Podczas pożaru w zakładzie produkującym PVC zapaleniu uległy składowane surowce i mieszaniny tworzyw sztucznych, zajęły się między innymi plastyfikatory, polietylen i polichlorek winylu. Silny wiatr przenosił gazy pożarowe na cały obszar zakładu. Listowie rosnących w pobliżu drzew zostało całkowicie zniszczone przez opary kwasu solnego. Gazy pożarowe, pomimo szczelnie zamkniętych okien i drzwi, dostały się do hali produkcyjnej i laboratorium. Po ugaszeniu pożaru stwierdzono dużą ilość rdzy w piwnicy, na metalowych częściach klatki schodowej, w laboratorium oraz na nieosłoniętych metalowych powierzchniach, a także na drucianej siatce ogrodzenia. W hali z parkiem maszynowym warstwa rdzy pokryła powierzchnie sufitu, a urządzenia elektroniczne w szafkach sterowniczych uległy korozji.

Pożary oraz przeprowadzone badania potwierdziły, że po wydzieleniu się z PVC chlorowodoru, traci on swoje trudno zapalne właściwości i zachowuje się jak większość materiałów pochodzenia organicznego. Natomiast gazy pożarowe zawierające kwas solny (roztwór wodny chlorowodoru) reagują z otoczeniem. W ten sposób oddziaływują na poszczególne części budynku, maszyny i urządzenia wykonane z materiałów reagujących z chlorowodorem, powodując ich korozję. Szkody może spowodować pożar już kilku kilogramów PVC.

Problematyka palności PVC, podobnie jak problematyka palności tworzyw sztucznych, obejmuje obok zagadnień związanych z przebiegiem spalania, działanie substancji opóźniających palenie. W celu obniżenia stopnia palności i podatności do inicjacji reakcji spalania, do polimerów dodaje się środki ognioochronne zwane uniepalniaczami albo opóźniaczami palenia (antypireny). Zadaniem tych środków jest uodpornienie tradycyjnych tworzyw sztucznych na zapalenie, spalanie płomieniowe, rozprzestrzenianie się ognia oraz wydzielanie dymów i gazów toksycznych (60-80% wypadków śmiertelnych podczas pożarów spowodowane jest wdychaniem dymów z palących się tworzyw sztucznych). W celu uodpornienia tradycyjnych tworzyw sztucznych, na określonym etapie ich przetwarzania dodaje się sproszkowane substancje chemiczne, które w procesie technologicznym powinny ulegać jednorodnemu rozproszeniu w tworzywie. W przypadku zmniejszenia palności PVC stosuje się wodorotlenki metali, takie jak wodorotlenek glinu - Al(OH)₃ i wodorotlenek magnezu - Mg(OH)₂. Endotermiczny proces dehydratacji (odszczepiania cząstek wody od cząstek związku chemicznego) Al(OH)₃ pochłania znaczną ilość energii (około 1170 kJ/kg). Ten antypiren zapobiega osiągnięciu przez PVC temperatury zapłonu. Uwolniona para wodna przedostaje się do strefy spalania w płomieniu, gdzie jako dodatkowy składnik zmniejsza stężenie gazów palnych i tlenu. W rezultacie następuje obniżenie temperatury płomienia, a tlenki metali tworzą warstwę ochronną na powierzchni materiału, ograniczając przemieszczanie się lotnych produktów rozkładu do płomienia oraz tlenu do wnętrza tworzywa. Tworzywa z tymi wodorotlenkami metali można poddać recyklingowi, podczas spalania nie wydzielają toksycznych produktów i ograniczają wytwarzanie dymu. Wodorotlenek glinu uważany jest za skuteczny środek opóźniający spalanie i należy do grupy najczęściej stosowanych opóźniaczy.

Pożary z udziałem materiałów palnych, w tym tworzyw sztucznych, spowodowały zaostrzenie przepisów z zakresu ochrony przeciwpożarowej. Wydane rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie², określa wymagania bezpieczeństwa pożarowego budynków lub ich części, w tym między innymi zakazu stosowania wyrobów budowlanych łatwo zapalnych oraz wymagania przeciwpożarowe dla elementów wykończenia wnętrz i wyposażenia stałego materiałów łatwo zapalnych, których produkty rozkładu termicznego są bardzo toksyczne lub intensywnie dymiące.

¹ - Pierwszy opisany przypadek masowego zatrucia gazowymi produktami rozkładu termicznego tworzyw sztucznych związany był z pożarem szpitala w Cleveland w 1929 roku, podczas którego, w skutek zapalenia się filmów rentgenowskich z nitrocelulozy, zginęło 125 osób. Bezpośrednią przyczyną zgonów był tlenek węgla i tlenki azotu.
²- Dz. U. Nr 75, poz. 690