Kunststoffen bij brand - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Kunststoffen bij brand
056–1
Kunststoffen bij brand
Onder kunststoffen verstaan we in dit artikel synthetische polymeren (onder andere plastics). Deze stoffen komen herhaaldelijk in negatieve zin in de publiciteit bij branden. Daarbij is de gedachte dat
deze stoffen makkelijk ontbranden, een grote bijdrage geven aan de
branduitbreiding en grote hoeveelheden giftige verbrandingsprodukten produceren.
Hoewel kunststoffen inderdaad een aantal specifieke problemen
kunnen veroorzaken bij brand, is dit beeld in zijn algemeenheid onjuist.
Synthetische polymeren
Synthetische polymeren bestaan uit lange ketens van een of meer
soorten kleine moleculen (de monomeren). De eigenschappen van
de polymeren worden onder andere bepaald door de monomeren
waaruit zij zijn opgebouwd, het aantal dwarsverbindingen tussen de
ketens en door de toeslagstoffen.
Enige toeslagstoffen zijn:
– weekmakers (vergroting van de flexibiliteit);
– vulstoffen (vergroting van de materiaalsterkte, betere bewerkbaarheid);
– stabilisatoren (tegengaan van vergeling en oxidatie);
– kleurstoffen;
– brandvertragers en rookonderdrukkers.
De toeslagstoffen kunnen tientallen procenten van het totale gewicht uitmaken.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
056–2
Kunststoffen bij brand
Brandgedrag van kunststoffen
Kunststoffen zijn organische stoffen die worden gerekend tot de
brandbare vaste stoffen. Ze worden niet beschouwd als gevaarlijke
stoffen, in tegenstelling tot de monomeren waaruit ze zijn opgebouwd. Deze monomeren zijn brandbare gassen (bijvoorbeeld
etheen, propeen), gassen die brandbaar en giftig zijn (vinylchloride)
of vloeistoffen die brandbaar en giftig zijn (acrylonitril).
Op grond van hun gedrag bij matige verwarming worden de kunststoffen onderverdeeld in thermoplasten en thermoharders.
Tabel 1. Enkele kenmerken van kunststoffen i.v.m. verbranding(*)
naam
toepassing
gedrag bij verbranding
polystyreen
isolatiemateriaal
polyetheen
buizen,
zakken
polyvinylchloride
buizen,
bedrading
polytetrafluoretheen
polymethylmethacrylaat
teflon
vrij hoge verbrandingssnelheid, oranje/
gele sterk roetende
vlam, roetklonters
zoetige hyacinthachtige geur
vrij hoge verbrandingssnelheid, lichtblauwe vlam met gele
top, ruikt als uitgeblazen kaars
langzame verbrandingssnelheid, geelgroene vlam met
spetters, witte of
zwarte rook en een
scherpe geur
ontbrandt niet
wasachtige geur
vrij hoge verbrandingssnelheid, knetterende blauw-gele vlam,
sinaasappelgeur
plexiglas
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
mogelijke giftige
verbrandingsprodukten
–
–
koolmonoxide
diverse koolwaterstoffen
– aldehyden
– koolstofmonoxide
– diverse koolwaterstoffen
– aldehyden
– als polyetheen
– zoutzuur
– fosgeen, chloor
–
–
–
–
waterstoffluoride
carbonylfluoride
als polyetheen
nitrillen (o.a. blauwzuur)
– aminen
– stikstofoxiden
– ammoniak
Inhoud
Startpagina
Kunststoffen bij brand
naam
toepassing
gedrag bij verbranding
polyurethaan
isolatiemateriaal
grote verbrandingssnelheid, vallende
brandende druppels
veel gele tot zwarte
rook
056–3
mogelijke giftige
verbrandingsprodukten
– als polymethylmethacrylaat
(*) De in deze tabel genoemde kenmerken zijn globaal en indicatief. Zij zijn afhankelijk van de precieze samenstelling van kunststof en van de verbrandingsomstandigheden.
De thermoplasten worden bij verwarming eerst zacht en vervormbaar zonder dat chemische veranderingen plaatsvinden. Vanaf een
bepaalde temperatuur, de verwekingstemperatuur beginnen ze te verweken. Als gevolg hiervan kunnen in de praktijk gevaarlijke situaties ontstaan door het bezwijken van kunststofconstructies bij relatief lage temperaturen of door het vrijkomen van elektrische bedrading.
Verweken kunnen we zien als het begin van smelten. Sommige
kunststoffen kunnen doordat ze bij brand smelten en uitvloeien bijdragen tot uitbreiding van een brand. Dit kan plaatsvinden in de
vorm van vallende brandende druppels, bijvoorbeeld bij een stof als
polystyreen (piepschuim).
Bij de thermoharders bestaan vele dwarsverbindingen tussen de polymeerketens. Daardoor vervormen ze nauwelijks bij verwarming,
maar ondergaan bij verdere verhitting evenals de thermoplasten
chemische veranderingen door ontleding en verbranding.
Afgezien van het verwekings- en smeltgedrag, zijn bij het beoordelen
van het brandgedrag van kunststoffen de volgende vier factoren van
belang:
– de ontvlambaarheid;
– de snelheid waarmee vlammen zich over een kunststofoppervlak uitbreiden;
– de bijdrage van de kunststoffen aan de totale hoeveelheid
warmte die bij een brand vrijkomt;
– de hoeveelheid rook en de giftigheid van de rook en de gasvormige verbrandingsprodukten.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
056–4
Kunststoffen bij brand
Ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid
Ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid spelen een belangrijke rol in het beginstadium van een brand. Zij bepalen of een materiaal al dan niet snel gaat meebranden en hoe snel de vlammen
zich voortplanten. In diverse landen, waaronder Nederland, worden
op deze punten eisen gesteld aan bekledingsmaterialen voor wanden, plafonds, vloerbedekkingsmaterialen en dergelijke. Veel kunststofmaterialen zijn onderworpen aan ontvlambaarheids- en vlamuitbreidingstesten. De uitkomsten van deze tests hangen naast de (chemische) aard van het materiaal af van onder andere de vorm (platen,
schuim, dikte van het materiaal), de toegepaste lijm- of verflagen en
eventueel aanwezige naadverbindingen. Uit de resultaten van dergelijke testen kan men concluderen dat er talloze toepassingen van
kunststoffen zijn die wat betreft ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid geen groter risico opleveren dan hout of andere natuurlijke materialen.
Verbrandingswarmte
Een heel andere situatie dan bij de toepassing als bouwmateriaal of
in meubels en stoffering komen we tegen bij opslagplaatsen van
kunststoffen. Door de grote hoeveelheden en door de relatief grote
verbrandingswaarde van een aantal kunststoffen, kan op deze plaatsen veel warmte per eenheid van vloeroppervlak vrijkomen en kan
de brandduur lang zijn. De verbrandingswaarde van stoffen als polyetheen, polypropeen en polystyreen ligt in de buurt van de 40 MJ/
kg, terwijl de meeste houtsoorten onder de 20 MJ/kg blijven. Andere
kunststoffen (polyvinylchloride (PVC), polyformaldehyde) hebben
met hout vergelijkbare of lagere verbrandingswaarden. Ook hier is
van belang welke stoffen naast het polymeer zelf in de kunststof
aanwezig zijn.
In de brandpreventie moet met deze zaken terdege rekening worden
gehouden, bijvoorbeeld bij het bepalen van de tijd gedurende welke
een scheidingswand brandwerend moet zijn.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
Kunststoffen bij brand
056–5
Rookproduktie
Kwantitatief wordt de rookproduktie van materialen bepaald door
onder standaardomstandigheden de hoeveelheid licht te meten die
door een door het materiaal geproduceerde rookkolom wordt doorgelaten. De rookproduktie wordt uitgedrukt in een rookgetal, dat
varieert van meer dan 200 (grote rookproduktie) voor polyurethaanschuim en bepaalde soorten PVC tot 1 voor fenolformaldehydeschuim. Voor diverse houtsoorten ligt het rookgetal tussen 5 en
60. De uitkomsten van dergelijke testen zijn wel van belang voor de
praktijk, maar bedacht moet worden dat andere factoren, met name
de ventilatiecondities (rookafvoer, zuurstoftoetreding) van zeer
groot belang zijn. PVC bijvoorbeeld heeft bij smeulen een kleinere
rookdichtheid dan hout, maar in het vlammenstadium juist een grotere. Vlamvertragers worden aan kunststoffen toegevoegd om hun
bijdrage aan de brandvoortplanting te verminderen. Een neveneffect is echter vaak dat de rookproduktie dan toeneemt. Andere toevoegingen kunnen de rookproduktie dan weer verminderen. De
hoeveelheid rook die (per tijdseenheid) bij een brand ontstaat is
vooral van belang in verband met de vermindering van het zicht,
waardoor het vluchten bemoeilijkt wordt.
Rook bestaat uit vaste deeltjes, gecondenseerde damp en gemakshalve rekenen we er ook de gasvormige verbrandingsprodukten bij.
Dit mengsel is altijd giftig of het nu een brand met voornamelijk
hout of een brand van kunststoffen betreft.
Giftige verbrandingsprodukten van hout zijn koolstofmonoxide,
koolstofdioxide en een groot aantal andere verbindingen zoals organische zuren, aldehyden (waaronder het zeer irriterende acroleïne)
en (poly)cyclische aromatische koolwaterstoffen. De giftigheid van
deze verbrandingsprodukten veroorzaakt meer brandslachtoffers
dan het vuur zelf. Vooral koolstofmonoxide speelt daarbij een belangrijke rol. Voor branden waarbij kunststoffen zijn betrokken is
de situatie doorgaans niet veel anders. Een verschil is wel dat bij
grote opslagen specifieke verbrandingsprodukten in flinke hoeveelheden kunnen vrijkomen. Hierbij kunnen we denken aan zoutzuur
(en in mindere mate chloor en fosgeen) bij de verbranding van PVC,
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
056–6
Kunststoffen bij brand
blauwzuur en stikstofoxiden bij verbranding van polyurethaan en
bijvoorbeeld fluorwaterstof bij verbranding van teflon. De giftigheid
van de rook blijft echter doorgaans voor een belangrijk deel bepaald
door koolstofmonoxide en andere „normale” verbrandingsprodukten.
Een ander probleem van rook is de corrosieve werking. Dit speelt
onder andere een rol bij branden waarbij grote hoeveelheden PVC
betrokken zijn (vorming van zoutzuur). Door toevoeging van kalk
aan de PVC kan de vorming van zoutzuurdampen worden beperkt.
Brandbestrijding
Bij de brandbestrijding moet rekening gehouden worden met de tot
dusver genoemde aspecten. Wat de kunststoffen zelf betreft behoeft
de brandbestrijding, bij voldoende preventieve voorzieningen, niet
veel moeilijker te zijn dan bij een brand waarbij dergelijke stoffen
niet betrokken zijn. Bij kunststofbranden speelt nauwelijks de problematiek van waterverontreiniging door met het bluswater afgevoerde milieutoxische stoffen, zoals bij branden van opslagplaatsen
van bestrijdingsmiddelen. Branden in fabrieken waar kunststoffen
worden geproduceerd, kennen wel bijzondere problemen, zoals het
uitlopen van smeltende brandende kunststoffen. Andere problemen
worden veroorzaakt door de aanwezigheid van oplosmiddelen, monomeren en peroxiden (starters van het polymerisatieproces). Bij
aanwezigheid van dergelijke stoffen bestaat het gevaar van extra
snelle branduitbreiding of zelfs explosies van reservoirs.
Literatuur
–
–
–
Kunststoffen vandaag en morgen, uitgave van de Ned. Fed.
voor Kunststoffen te Woerden en de Ned. Ver. van Rubber- en
Kunststoffabrikanten te ’s-Gravenhage. 1986.
Richard L. Tuve, Principles of Fire Protection Chemistry, National Fire Protection Association, Boston 1976.
John W. Lyons, Fire, Scientific American Library ..... (verschijnt binnenkort bij de stichting Natuur & Techniek).
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
Kunststoffen bij brand
–
–
–
056–7
Drs. L. J. Bijl, Uit de brand ..... handboek brandonderzoek,
Kon. Vermande BV. Lelystad 1987.
Association of Plastics Manufacturers in Europe, PVC ..... The
Facts, 1986.
Tijdschrift: Fire and Materials, John Wiley & Sons, Chichester
(UK), New York. Toronto.
december 1987
Drs. W. J. Klijn
Drs. P. P. H. Swinkels
Ministerie van Binnenlandse Zaken
Directie Brandweer
Afdeling Bestrijdings- en Hulpverleningstechniek
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996