Sinds het oude Egypte, de lange strijd tegen vuur

De ontdekking van vuur wordt vaak voorgesteld als de belangrijkste in de geschiedenis van de mens, zozeer heeft het de ontwikkeling van het genre bepaald Homo. Door de hoeveelheid energie die nodig is om voedsel te verteren te verminderen, heeft koken met name geleid tot een toename van de hersenen.

Lbeheersing van vuur lijkt ongeveer 400 jaar geleden te zijn verworven ook al zijn er veel oudere gebruikssporen gesignaleerd. Met de verstedelijking is vuur echter ook een plaag geworden als het zich ongecontroleerd verspreidt. Laten we bijvoorbeeld denken tot het grote vuur van Rome in 64 na Christus tot die van de kathedraal Notre Dame de Paris of zelfs tot de megabranden die nu veel landen teisteren.

Wat is vuur?

Een brand vereist de combinatie van drie elementen: een brandstof, een oxidatiemiddel en een warmtebron, de zogenaamde vuurdriehoek. Deze elementen werken samen in een complex proces waarbij fysieke verschijnselen zoals warmteoverdracht en chemische verschijnselen zoals pyrolyse van de brandstofbron of verbranding van pyrolyseproducten betrokken zijn.

Technisch wordt er onderscheid gemaakt tussen reactie en weerstand tegen brand. De reactie op brand betreft brandbare materialen, die bij hun ontleding onder invloed van temperatuur en in aanwezigheid van een oxidatiemiddel (meestal zuurstof in de lucht) warmte afgeven tijdens hun ontleding. Brandwerendheid betreft het vermogen van een element om zijn dragende functie en zijn thermische isolatie en gas- en rookdichtheid te behouden tijdens een brand. Als brandbaar materiaal dat als structureel element in gebouwen wordt gebruikt, heeft hout te maken met deze twee aspecten die specifieke normen en verschillende tests vereisen.

Als het gaat om brandbestrijding, zijn er twee strategieën die elkaar niet uitsluiten. De eerste voorziet in het gebruik van zogenaamde actieve apparaten in geval van brand: brandblussers, rookmelders of automatische waterblussers. De tweede is om materialen te gebruiken die zo min mogelijk bijdragen aan de verspreiding van de brand.

brandwerend maken

Veel materialen, zoals de meeste kunststoffen of hout, zijn van nature zeer brandbaar en het is noodzakelijk om additieven op te nemen die vlamvertragers worden genoemd en die, opgenomen in of op het oppervlak van een brandbaar materiaal, bedoeld zijn om het gedrag ervan te veranderen door de branddriehoek te verstoren .

Hun effecten zijn voornamelijk om het verschijnen van de vlam te vertragen, de voortplantingssnelheid te vertragen, de afgifte van warmte en de kracht van het vuur te verminderen, de ondoorzichtigheid van de rook en de giftigheid ervan te beperken. Al deze effecten worden beoordeeld door middel van gestandaardiseerde brandreacties. Ze leiden tot classificaties die het mogelijke gebruik van het materiaal in een bepaalde toepassing volgens de regelgeving bepalen. Er is geen universele vlamvertrager. Een brandwerend systeem moet aangepast zijn aan het materiaal dat het wil beschermen, met name rekening houdend met het afbraakproces. Bovendien wordt de keuze van een vlamvertrager ook bepaald door het fabricageproces van het materiaal en mag het de verwachte functionele eigenschappen niet significant veranderen.

Archeologen plaatsen het begin van brandwerendheid in de oudheid. De Egyptenaren, rond 400 voor Christus. J.-C., gebruikte mineralen om bepaalde stoffen bestand te maken tegen vuur, zoals katoen of linnen. Later, tijdens het beleg van Piraeus (23 v. Chr.) werden aluinoplossingen gebruikt om de houten wallen brandwerend te maken. Het was toen nodig om te wachten tot 18 juni 1735 voor de Engelsman Obadiah Wyld het eerste patent indiende, patentnummer 551, over de behandeling van katoen. In de XNUMXde eeuw, op verzoek van de koning van Frankrijk, Lodewijk XVIII, moest een effectief systeem worden gevonden om branden in Parijse theaters verlicht door kaarsen te voorkomen. Joseph Louis Gay-Lussac vervolgens patent aangevraagd op het gebruik van een mengsel van ammoniumfosfaat, ammoniumchloride en borax voor het brandwerend maken van gordijnen in theaters.

brand vertragende middelen

Er zijn verschillende families van vlamvertragers, gebaseerd op verschillende chemische elementen en met verschillende werkingsmechanismen. Historisch gezien is de gehalogeneerde moleculen die chloor of broom bevatten, zijn op grote schaal gebruikt vanwege hun effectiviteit, zelfs in kleine hoeveelheden. Deze moleculen werken door de verbrandingsreacties die plaatsvinden in de vlam te verstoren, het doven ervan te bevorderen en de hoeveelheid vrijgekomen energie te beperken. Dit wordt dan vlamremming genoemd. De toxische aard van bepaalde gehalogeneerde verbindingen heeft echter geleid tot een verbod. Door de onmogelijkheid om tijdens recycling gemakkelijk onderscheid te maken gebromeerde moleculen toegestaan ​​van die welke verboden zijn, is het niet langer mogelijk om kunststoffen die door deze vlamvertragers vuurvast zijn gemaakt, te recyclen. Bovendien leiden deze moleculen tijdens de brand tot de vorming van ondoorzichtige en bijtende rook. Om al deze redenen zit deze familie van vlamvertragers nu steeds meer in de hot seat.

Het wordt voornamelijk vervangen door: fosfor vlamvertragers. Deze zijn van een zeer grote variëteit en daarom kunnen ze volgens verschillende werkingsmechanismen werken. Het belangrijkste werkingsmechanisme blijft echter de bevordering van een restlaag op het oppervlak van de brandstof die het gezonde deel van het materiaal beschermt. De strategie bestaat uit het verstoren van de pyrolysereacties (ontleding van het materiaal onder invloed van warmte) en het bevorderen van de vorming van een koolstofrijk en thermisch stabiel residu genaamd "char". Sommige bijzonder effectieve systemen worden opzwellend genoemd omdat de kool een geëxpandeerde, isolerende en zeer beschermende laag vormt. Dit type opschuimend systeem wordt met name gebruikt in coatings om metalen elementen of hout te beschermen.

We kunnen ook metaalhydroxiden noemen, die goedkoop maar in verhouding minder effectief zijn en die daarom met hoge snelheden (tot 65 massaprocent in buitenmantels voor kabels) moeten worden opgenomen om een ​​merkbaar effect te bereiken. Onder invloed van temperatuur geven deze deeltjes water af in de vorm van damp door endotherme ontleding, waardoor het materiaal wordt afgekoeld en de brandstoffen in de vlam worden verdund.

Er bestaan ​​nog andere chemicaliën, bijvoorbeeld op basis van stikstof (melamine), boor (zinkboraat) of tin (hydroxystannaat). Ook op het gebied van brandwering wordt al vijftien jaar nanotechnologie toegepast. Nanodeeltjes van het type lamellaire klei of koolstof nanobuisjes bevorderen het isolerende karakter van de gevormde verkoling, zelfs bij lage niveaus. Maar ze zijn op zichzelf niet voldoende om het materiaal algeheel te beschermen.

En het hout?

Over het algemeen hebben materialen van organische oorsprong (uit de levende wereld), zoals olie, hout of steenkool, een samenstelling gemeen die rijk is aan koolstof- en waterstofatomen, die waarschijnlijk geoxideerd kunnen worden. Ze zijn dus brandbaar. Hout is een materiaal met een complexe structuur met een elementaire chemische samenstelling die voor de helft uit koolstof (50%), zuurstof (44%) en een kleine hoeveelheid waterstof (6%).

Niet erg dicht, het hout heeft een natuurlijk vermogen om te verkolen, dwz er vormt zich een beschermende laag verkoolde tussen het gezonde hout en de vlammen. Tijdens de verbranding zal het hout eerst water verliezen om bij 120 °C volledig droog te worden. Dan breekt de structuur geleidelijk af met toenemende temperatuur. De bestanddelen zijn relatief stabiel tot 250°C, de temperatuur waarboven rookontwikkeling wordt waargenomen. Bij 320°C is de hoeveelheid gas zodanig dat het hout in de lucht kan ontbranden. Pyrolyse vindt voornamelijk plaats tot 500°C, waarna alleen houtskool (char) overblijft, dat door oxidatie langzaam kan ontleden. Hoewel de verkoolde laag de pyrolyse van het gezonde onderliggende hout vertraagt, is de mechanische sterkte daarentegen verwaarloosbaar. Naarmate de pyrolyse vordert, wordt daarom het bruikbare gedeelte van een houten constructie-element verminderd en daarmee ook het draagvermogen.

De vlamvertragers die worden gebruikt voor het brandwerend maken van hout behoren tot de bovengenoemde families (fosfor, boor, stikstof, metaalhydroxiden). In tegenstelling tot kunststoffen is het echter niet mogelijk om deze additieven tijdens de houtproductie te integreren. Brandwerendheid vindt daarom plaats in twee vormen: het afzetten van een oppervlaktecoating (verf, lak) en impregnatie in het hart van het hout, d.w.z. in het holle deel – het lumen – van de cellen van het hout, door middel van een autoclaafproces. Dit houdt in dat alle lumen worden gevuld door eerst onder vacuüm te ontgassen en vervolgens de vlamvertrager door overdruk te forceren. Deze complexere oplossing maakt het mogelijk om een ​​verslechtering van het vlamvertragende karakter bij oppervlaktedefecten te vermijden. In het geval van een coating kan deze, als deze wordt gewijzigd, zijn brandwerende rol niet meer spelen en laat het hout bij brand onbeschermd achter.

Dit artikel is geschreven in samenwerking met Clément Lacoste (IMT – Mines Alès), Laurent Ferry (IMT – Mines Alès) en Henri Vahabi (Universiteit van Lotharingen).

Rodolphe Sonnier, assistent-meester van de mijnscholen, IMT Mines Alès – Mines-Telecom Institute

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder Creative Commons-licentie. Lees deorigineel artikel.

Afbeelding tegoed: Shutterstock / Pedro Mar