Αντοχή του ξύλου στη φωτιά του Δρ. Σωτήριου Καραστεργίου Καθηγητή ΤΕΙ Θεσσαλίας

Το ξύλο και γενικότερα τα κυτταρινικά υλικά, εξαιτίας της συμβατότητάς τους με τη φύση, δηλαδή το γεγονός ότι καίγονται και αποσυντίθενται εύκολα, ανακυκλώνονται και αναγεννώνται ως φυσικές πρώτες ύλες. Η θερμοκρασία επιδρά στις φυσικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητες του ξύλου, ή τείνει να αλλοιώσει τα δομικά του στοιχεία. Αυτή η υποβάθμιση κατά τη διάρκεια της καύσης κάνει το ξύλο ιδανικό για ορισμένες χρήσεις και μειονεκτικό για κάποιες άλλες.

Η καύση του ξύλου ικανοποιεί τις ανθρώπινες ανάγκες για παραγωγή ενέργειας (μαγείρεμα, θέρμανση, παραγωγή ατμού, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κ.λ.π.), αλλά από την άλλη μεριά αποτελεί μειονέκτημα για χρήσεις τεχνικού χαρακτήρα στις οποίες το ξύλο είναι εκτεθειμένο σε υψηλές θερμοκρασίες ή σε φωτιά. Το γεγονός αυτό οριοθετεί τις ευρείες χρήσεις που έχει το ξύλο με αποτέλεσμα τη μη χρησιμοποίηση και αντικατάστασή του από άλλα υλικά.

Όταν το ξύλο εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες ή σε φωτιά, πυρολύεται και τελικά καίγεται σε CO2 και H2O. Η θερμοκρασία επιδρά στις φυσικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητες του ξύλου, ή υποβιβάζει τα δομικά του συστατικά από πολυμερή σε μονομερή. Τα στάδια που λαμβάνουν μέρος κατά τη διάρκεια της καύσης είναι: Εξάτμιση της υγρασίας του ξύλου (έως 100C) Εξαέρωση πτητικών περιεχομένων (από 95 έως 150C και πάνω) Επιφανειακή απανθράκωση και βραδεία έξοδος εύφλεκτων αερίων (από 150C μέχρι 200C). Ταχύτερη έξοδος εύφλεκτων αερίων, που ακολουθείται από ανάφλεξη και πυράκτωση (από 200C μέχρι 370C). Ταχεία ανάφλεξη εύφλεκτων αερίων και σχηματισμός πυρακτωμένων ανθράκων (από 370C μέχρι 500C).

Επίδραση θερμοκρασίας στο ξύλο μέχρι 200oC Ο χειρισμός του ξύλου με θερμοκρασίες έως 100oC, δεν προκαλεί σε αυτό μόνιμες επιδράσεις. Με μείωση της θερμοκρασίας το ξύλο επανακτά τις αρχικές του ιδιότητες. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 100oC και ανάλογα με το ύψος της θερμοκρασίας οι μεταβολές των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του ξύλου είναι περισσότερο ή λιγότερο μόνιμες. Η φυσική κυτταρίνη είναι αρκετά ανθεκτική σε θερμοκρασίες έως 120οC, ενώ σε θερμοκρασίες 150-160οC ο βαθμός πολυμερισμού της μειώνεται. Αντίθετα στη λιγνίνη έως τους 150-160οC δεν παρατηρούμε αλλοιώσεις στη δομή της.

Επίδραση θερμοκρασίας μεγαλύτερης των 200oC Η κυτταρίνη σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 200οC διασπάται. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 300οC πυρολύεται και παράγονται μονομερείς ενώσεις, ενώ σε θερμοκρασίες πάνω από τους 350οC διασπάται σε άνθρακα, υγρά και πτητικά συστατικά. Η λιγνίνη σε θερμοκρασίες πάνω από 200οC αποπολυμερίζεται, ενώ σε θερμοκρασίες πάνω από 300οC αποπολυμερίζεται πλήρως παράγοντας άνθρακα, πίσσα, υγρά και αέρια προϊόντα.

Καύση Η θερμική αποικοδόμηση του ξύλου παρουσία αέρα ή οξυγόνου οδηγεί τα προϊόντα της πυρόλυσης σε καύση. Τα αέρια και υγρά προϊόντα καίγονται γρήγορα με συνοδεία φλόγας (flamming combustion), ενώ ο άνθρακας καίγεται αργά απουσία φλόγας (glowing combustion). Κατά την καύση ενώνεται χημικά το οξυγόνο με τα συστατικά του ξύλου και εκλύονται μεγάλες ποσότητες ενέργειας. C + O2  CO2 + 7.840 cal/gr C H2 + 1/4 O2  H2O+ 34.000 cal/gr H2

Ένας σπινθήρας ή μία φλόγα πιλότος μπορούν να ξεκινήσουν την καύση του ξύλου. Η καύση μπορεί να ξεκινήσει και απουσία σπινθήρα ή φλόγας πιλότου σε υψηλές θερμοκρασίες (αυτοανάφλεξη). Η θερμοκρασία ανάφλεξης είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης (από 220-350 oC)

Κατά την καύση των αερίων προϊόντων εκλύεται ενέργεια η οποία επιταχύνει την πυρόλυση του ξύλου. Καύση των αυξανομένων ποσοτήτων αερίων και υγρών αυξάνει την ταχύτητα πυρόλυσης και τελικά την ταχύτητα καύσης. Η πορεία της καύσης θα εξαρτηθεί από τη διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου του χώρου. Η καύση του στερεού άνθρακα είναι βραδεία και γίνεται σε δύο στάδια: C + 1/2 O2  CO + 26.43 Kcal/mole CO + 1/2 O2  CO2 + 67.96 Kcal/mole Η ενέργεια που εκλύεται κατά την πλήρη καύση ενός υλικού ονομάζεται θερμαντική αξία (calorific value).

Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση του ξύλου Μορφή και διαστάσεις του ξύλου Η μορφή και οι διαστάσεις του ξύλου επηρεάζουν την ταχύτητα και την πρόοδο της καύσης. Η καύση του ξύλου εξαρτάται από την λόγο της επιφάνειας προς τον όγκο του ξύλου. Όταν το ξύλο έρθει σε επαφή με μια πηγή φωτιάς έχουμε αύξηση της επιφανειακής του θερμοκρασίας και καύση των αναδιδωμένων πτητικών του συστατικών. Η εξάπλωση της φωτιάς λαμβάνει χώρα πρώτα στην επιφάνεια του ξύλου και κατόπιν εσωτερικά στη μάζα του.

Περιεχόμενη υγρασία Η περιεχόμενη υγρασία του ξύλου επηρεάζει την όλη διαδικασία της καύσης και αυξάνει την ενέργεια που απαιτείται για να αποκτήσουν τα δομικά στοιχεία του ξύλου τη θερμοκρασία πυρόλυσης. Η δεύτερη επίδραση της υγρασίας στην καύση του ξύλου είναι ότι απαιτεί το ανώτατο όριο της θερμοκρασίας του πυρήνα της ξύλινης καύσιμης ύλης έως ότου όλο το νερό εξατμιστεί.

Πυκνότητα Η πυκνότητα επηρεάζει την καύση ρυθμίζοντας τη διαθέσιμη ποσότητα αέρα στη μάζα του ξύλου. Ξύλα με χαμηλή πυκνότητα ευνοούν τη γρήγορη καύση, εν μέρει λόγω της γρηγορότερης διείσδυσης της θερμότητας στη μάζα του ξύλου, καθώς επίσης και λόγω του γεγονότος ότι αυξάνουν το λόγο της επιφάνειας προς τον όγκο του ξύλου. Η πυκνότητα σχετίζεται με την περιεχόμενη υγρασία. Αυξανομένης της περιεχόμενης υγρασίας αυξάνεται και η πυκνότητα.

Ανατομικά χαρακτηριστικά Τα ανατομικά χαρακτηριστικά του ξύλου επηρεάζουν την καύση. Δασοπονικά είδη με μακριές και ανοιχτές διόδους στη μάζα τους (πλατύφυλλα με ανοιχτά αγγεία χωρίς τυλώσεις) και με ομοιόμορφη κατανομή (διασπορόπορα) είναι περισσότερο εύφλεκτα. Οι τραχεϊδες των κωνοφόρων λόγω του μήκους και των κλειστών άκρων τους, κάνουν το ξύλο περισσότερο εύφλεκτο σε αξονική κατεύθυνση. Η πρόοδος της φωτιάς σε αξονική διεύθυνση είναι περίπου διπλάσια από την πρόοδο σε εγκάρσια διεύθυνση.

Παροχή αέρα Η παρουσία αέρα επιταχύνει την καύση του ξύλου. Τοπική έλλειψη παροχής αέρα με συνεχιζόμενη εφαρμογή θερμότητας οδηγεί σε απανθράκωση του ξύλου (charring combustion), με αποτέλεσμα οι πτητικές ουσίες του ξύλου να μη καίγονται έως ότου αποκτήσουν την απαιτούμενη ποσότητα αέρα και απότομα αναφλεγούν (flash over). Ξύλινες κατασκευές οι οποίες ευνοούν τη κυκλοφορία του αέρα καίγονται ευκολότερα.

Εκχυλίσματα Όλα τα είδη ξύλου εμπεριέχουν, πέρα από την ολοκυτταρίνη και τη λιγνίνη, διάφορες οργανικές ενώσεις. Οι ενώσεις αυτές είναι δυνατό να εκχυλιστούν και καλούνται εκχυλίσματα. Εκχυλίσματα είναι και τα ανόργανα συστατικά, οι φυτικές ορμόνες και οι χυμοί των δέντρων. Τα εκχυλίσματα αποτελούνται από πολλές διαφορετικές χημικές ενώσεις όπως αρωματικές, μονομερείς, πολυμερείς, διάφορα αλκαλοϊδή και ανόργανες ενώσεις. Πολλά εκχυλίσματα, όπως η ρητίνη, μειώνουν το χρόνο ανάφλεξης της καύσιμης ύλης και καίγονται. Ξύλα κωνοφόρων, τα οποία περιέχουν ρητίνη, είναι περισσότερο εύφλεκτα από ξύλα τα οποία δεν περιέχουν ρητίνη. Οι πτητικές καύσιμες ουσίες, ιδιαίτερα τα σταγονίδια πίσσας, είναι κυρίως υπεύθυνες για την ταχεία διάδοση της φωτιάς.

Αντιπυρικές ουσίες Η θερμική αποικοδόμηση και καύση του ξύλου και των προϊόντων ξύλου, είναι το αποτέλεσμα των διαφόρων χημικών αντιδράσεων των συστατικών του. Αυτές οι αντιδράσεις είναι δυνατό να τροποποιηθούν, επιβραδυνθούν, ή εμποδιστούν με τη χρήση κατάλληλων χημικών ουσιών οι οποίες καλούνται αντιπυρικές (fire retardants)

Έχουν αναπτυχθεί πολλές αντιπυρικές ουσίες οι οποίες προσδίδουν άλλες περισσότερο και άλλες λιγότερο αντοχή στη φωτιά στα προϊόντα ξύλου. Ιδανική αντιπυρική ουσία θεωρείται αυτή η οποία έχει χαμηλό κόστος εφαρμογής και αποδίδει στο ξύλο και στα προϊόντα αυτού αντοχή έναντι της φωτιάς, χωρίς να επηρεάζει δυσμενώς τις επιθυμητές ιδιότητές του. Η ιδανική αυτή ουσία παρόλες τις προσπάθειες πολλών χρόνων δεν έχει ακόμα στοιχειοθετηθεί .

Θεωρίες αντιπυρικότητας Θεωρίες φράγματος (Barrier theories) Οι αντιπυρικές χημικές ουσίες εμποδίζουν την διαφυγή των πτητικών παραγώγων της καύσης με τη δημιουργία υαλώδους φράγματος. Το φράγμα αυτό εμποδίζει επίσης το οξυγόνο να φτάσει στο υπόστρωμα και θερμομονώνει την επιφάνεια του ξύλου από υψηλές θερμοκρασίες. Ένα φυσικό φράγμα μπορεί να επιβραδύνει την καύση του ξύλου εμποδίζοντας τη διαφυγή των εύφλεκτων παραγώγων της καύσης, καθώς και την εισχώρηση οξυγόνου στο υπόστρωμα του ξύλου. Τα φράγματα αυτά επίσης δεν επιτρέπουν την εισχώρηση υψηλών θερμοκρασιών στο υπόστρωμα του ξύλου. υδρύαλος (waterglass) διογκωτικά επιστρώματα (intumescent coatings)

Θεωρίες θερμότητας (Thermal theories) Οι αντιπυρικές χημικές ουσίες είναι δυνατό να αυξήσουν τη θερμική αγωγιμότητα του ξύλου με αποτέλεσμα να διασκορπίζεται - εξαφανίζεται η θερμική ενέργεια από την επιφάνεια του ξύλου πιο γρήγορα από ότι παρέχεται από την πηγή ανάφλεξης. όξινο φωσφορικό αμμώνιο

Θεωρίες διαλυμάτων άφλεκτων αερίων (Dilution by noncombustible gases theories) Τα άφλεκτα αέρια τα οποία ελευθερώνονται από την αποικοδόμηση των αντιπυρικών χημικών ουσιών αραιώνουν τα καύσιμα αέρια τα οποία δημιουργούνται από την πυρόλυση του ξύλου και δημιουργούν ένα άφλεκτο μίγμα αερίων. δικυανδιαμίδια ουρία ενώσεις που περιέχουν βόρακα

Θεωρίες παγίδευσης ελευθέρων ριζών (free radical trap theories) Μερικές αντιπυρικές ουσίες ελευθερώνουν ελεύθερες ρίζες αναστολέων σε θερμοκρασίες πυρόλυσης, οι οποίες διακόπτουν το μηχανισμό εξάπλωσης της αλυσίδας της καύσης. Ενώσεις αλογόνων (Br, Cl, F) Ενώσεις φωσφόρου

Θεωρίες αυξημένου άνθρακα - μειωμένων πτητικών ουσιών (Increased char/reduced volatiles theories) Οι περισσότερες από τις αντιπυρικές ουσίες που χρησιμοποιούνται, επιταχύνοντας την αφυδάτωση του ξύλου προκαλούν αύξηση του παραγόμενου άνθρακα και μείωση των παραγόμενων πτητικών προϊόντων ουσιών.

Θεωρίες μείωσης της περιεχόμενης θερμικής ενέργειας των πτητικών ουσιών (reduced heat content of volatiles theories) Οι αντιπυρικές χημικές ουσίες μειώνουν την περιεχόμενη θερμότητα των εύφλεκτων πτητικών ουσιών. Η μείωση αυτή συμβαίνει πάντοτε όταν η ποσότητα του άνθρακα αυξάνει και η ποσότητα των πτητικών ουσιών μειώνεται. Κατά συνέπεια η θεωρία αυτή βρίσκεται σε συμφωνία με την προηγούμενη

Τύποι αντιπυρικών ουσιών Αδρανείς ανόργανες ουσίες οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν αρχικώς ως αντιπυρικές, ήταν το πυριτικό νάτριο, η κιμωλία, ο ασβέστης, το τσιμέντο, η ταλκ, κ.λ.π. Οι ουσίες αυτές ενεργούσαν ως γομωτικά υλικά στην επιφάνεια του ξύλου. Σήμερα ως αντιπυρικές ουσίες χρησιμοποιούνται διάφορα ανόργανα άλατα, οργανικές ενώσεις και οργανικά άλατα και διάφορα πολυμερή και ρητίνες. Τα δραστικότερα στοιχεία των αντιπυρικών ουσιών είναι κυρίως ο φώσφορος, το βόριο, τα αλογόνα και το άζωτο. Συνήθως χρησιμοποιούνται μίγματα δύο ή περισσοτέρων ουσιών για συνδυασμένη δράση και μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα

Ανόργανες αντιπυρικές ουσίες Ονομασία Εμπειρικός τύπος Φωσφορικό οξύ H3PO4 Φωσφορικό αμμώνιο NH4H2PO4 Φωσφορικό διαμμώνιο (NH4)2HPO4 Φωσφορικό νάτριο Na3PO4 Υδροφωσφορικό νάτριο Na2HPO4 . H2Ο Βορικό οξύ H3BO3 Βορικό τριοξείδιο B2O5 Τετραβορικό νάτριο (βόρακας) Na2B4O7.10H2O Πολυβορικό νάτριο Na2B4O13 . 4H2O Χλωριούχος ψευδάργυρος ZnCl2 Χλωριούχο αμμώνιο NH4Cl Χλωριούχο ασβέστιο CaCl2 Θειικό αμμώνιο (NH4)2SO4 Διχρωμικό νάτριο Na2Cr2O7 . 2H2O Πυριτικό Νάτριο Na2SiO3

Οργανικές αντιπυρικές ενώσεις Σουλφαμικά αλκύλια Φωσφορικά, αμμωνιακά αλκύλια Σύμπλοκο δικυανο-διαμιδίου με θειικό ή φωσφορικό αμμώνιο Βρώμο-αλιφατικά οξέα Χλωριούχα φωσφορικά αλκύλια Χλωριούχα ναφθαλένια Φωσφορικοί τριεστέρες Φωσφόρο δις (-2 βρωμοαιθύλιο)2- βρωμομεθάνιο

Πίνακας 2.7. Μέθοδοι εμποτισμού του ξύλου. Μέθοδοι εφαρμογής των αντιπυρικών ουσιών Οι αντιπυρικές χημικές ουσίες ανάλογα με τις μεθόδους με τις οποίες εμποτίζονται στο ξύλο και στα προϊόντα αυτού, μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: σε εκείνες οι οποίες εμποτίζουν (διαποτίζουν) ολικά το ξύλο ή ενσωματώνονται στα συγκολλημένα προϊόντα του, και σε εκείνες οι οποίες εφαρμόζονται ως βερνίκια ή επιστρώματα στις επιφάνειες των προϊόντων.

Ο ολικός εμποτισμός του ξύλου με αντιπυρικές ουσίες εφαρμόζεται περισσότερο από τον επιφανειακό εμποτισμό με βερνίκια ή επιστρώματα. Τα βερνίκια και τα διάφορα επιστρώματα χρησιμοποιούνται σε υπάρχουσες κατασκευές στις οποίες δεν είναι δυνατός ο ολικός εμποτισμός.

Μέθοδοι εφαρμογής των αντιπυρικών ουσιών στις μοριοσανίδες Μέθοδοι εμποτισμού των μοριοσανίδων Ως τελικά προϊόντα Πριν από το στάδιο προσθήκης της συγκολλητικής ουσίας Κατά τη διάρκεια του σταδίου προσθήκης της συγκολλητικής ουσίας Μετά από το στάδιο προσθήκης της συγκολλητικής ουσίας Κατά τη διάρκεια της κατασκευής τους

Μέθοδοι αξιολόγησης της καύσης Χρόνος ανάφλεξης ή ευφλεκτικότητα (time to ignition) Ως χρόνο ανάφλεξης ενός υλικού καλούμε το χρόνο από τη στιγμή που το υλικό εκτέθηκε σε μια πηγή θερμικής ακτινοβολίας έως τη στιγμή που αναφλέγει.

Διάδοση της φωτιάς (spread of flame) Η διάδοση της φωτιάς μπορεί να θεωρηθεί ως το προωθημένο μέτωπο ανάφλεξης, στο οποίο το προπορευόμενο άκρο της φωτιάς δρα και ως πηγή θερμότητας (εγείροντας την καύσιμη ύλη που βρίσκεται μπροστά από αυτή να αποκτήσει συνθήκες καύσης (fire point)), αλλά και ως πηγή ανάφλεξης με φλόγα (pilot ignition). Για μερικές περιπτώσεις υλικών, η διάδοση της φωτιάς και η ευφλεκτικότητα σχετίζονται άμεσα.

Ταχύτητα ελευθέρωσης ενέργειας (rate of heat release) Ως ρυθμός ελευθέρωσης της ενέργειας ενός υλικού, ορίζεται η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται κατά την καύση του ανά μονάδα χρόνου. Ο ρυθμός ελευθέρωσης ενέργειας ενός υλικού αποτελεί ένα από τα βασικά θερμικά χαρακτηριστικά του.

Τοξικότητα (toxicity) Οι δοκιμές τοξικότητας μπορούν να εφαρμοστούν στις περιπτώσεις εφαρμογής των αντιπυρικών ουσιών, εξαιτίας της σπουδαιότητας του χαρακτηριστικού αυτού. Τα περισσότερα θύματα των πυρκαγιών, προέρχονται από την έκθεσή τους σε τοξικά αέρια, τα οποία παράγονται κατά την καύση των διαφόρων υλικών συμπεριλαμβανομένου και του ξύλου.

Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α Β Γ Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α, Β: μοριοσανίδες εμποτισμένες επιφανειακά με υδρύαλο και βόρακα σε ποσοστά 15 και 10%, αντίστοιχα. Γ: μάρτυρας.

Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α Β Γ Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α, Β: μοριοσανίδες εμποτισμένες επιφανειακά με υδρύαλο, βορικό οξύ και βόρακα σε ποσοστά 15 και 10%, αντίστοιχα. Γ: μάρτυρας.

Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α Β Γ Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α, Β: μοριοσανίδες εμποτισμένες στη μάζα με υδρύαλο και βόρακα σε σκόνη σε ποσοστά 15 και 10%, αντίστοιχα. Γ: μάρτυρας.

Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α Β Γ Δοκιμασμένες στη επιφανειακή εξάπλωση της φωτιάς μοριοσανίδες. Α, Β: μοριοσανίδες εμποτισμένες στη μάζα με υδρύαλο, βορικό οξύ και βόρακα σε σκόνη σε ποσοστά 15 και 10%, αντίστοιχα. Γ: μάρτυρας.