Časopis 112 ROČNÍK XVI ČÍSLO 11/2017

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA vás seznámíme s vlivem ventilace na způsob vyšetřování požárů v uzavřeném prostoru. Dočtete se o semináři k aktuálnímu vývoji smlouvy o zákazu jaderných zbraní. Dozvíte se o využití metod termické analýzy v požární ochraně. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM přinášíme reportáž z rozsáhlého cvičení složek IZS, které simulovalo střet dvou vlaků na Břeclavsku. Další zajímavé cvičení s názvem FOREST FIRE 2017. Akce byla zaměřena na problematiku hašení lesních požárů. V rubrice OCHRANY OBYVATELSTVA A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ se dočtete o Cvičení „ZÓNA 2017“, které se uskutečnilo ve dnech 5. až 17. května 2017. Cvičení bylo zaměřeno na procvičení činnosti vybraných ústředních správních úřadů. Dále o odpovědnosti za bezpečnost občanů v zónách havarijního plánování. V informacích se dozvíte, jak dopadla mistrovství ve vyprošťování Hasičského záchranného sboru České republiky v disciplínách TFA. Máme pro Vás krátký článek z nadačního svatováclavského koncertu v katedrále 

Oddělení výzkumu a vývoje Technického ústavu požární ochrany (TÚPO) provozuje velkou řadu analytických a požárních zkoušek. Významnou skupinou zkoušek jsou metody termické analýzy, které umožňují komplexně popsat a zhodnotit chování materiálů při zahřívání. Naměřená data je možné využít v oblasti prevence při požárně bezpečnostním řešení staveb, v oblasti zjišťování příčin vzniku požárů při tvorbě požárně technických expertiz a pro matematické modelování hoření pevných látek a kapalin.

Pojem termická analýza zahrnuje skupinu metod, které se nejčastěji používají pro studium pevných látek a kapalin. Těmito metodami se zkoumají pochody probíhající v látkách při jejich zahřívání nebo ochlazování v závislosti na čase nebo teplotě. Zahřívání látky vlivem rostoucí teploty v jejím okolí vede k rostoucímu tepelnému pohybu atomů. Toto může vést ke změnám studované látky (tání) nebo jejímu rozkladu na fragmenty. Ty mohou být těkavější než původní látka a při dané teplotě odcházejí ze systému [1]. Přeměnou látky pevného skupenství vlivem rostoucí teploty v inertní atmosféře mohou být fázové přeměny, tání, sublimace nebo tepelný rozklad [2]. V případě, že se zkoumá pevný vzorek v jiné než inertní atmosféře, může docházet k interakci vzorku s příslušným plynem. Pokud se používá oxidační atmosféra (vzduch, kyslík), sledují se oxidace resp. oxidativní rozklad. Dalším případem je situace, kdy směs dvou a více pevných látek spolu mohou při zahřívání vzájemně interagovat za vzniku nových sloučenin.

Metoda diferenční snímací kalorimetrie
Obr. 1 DSC křivka s typickými endotermními a exotermními ději [4]Metoda diferenční snímací kalorimetrie (DSC) je jednou z nejrozšířenějších metod termické analýzy, při které se měří rozdíl v množství tepla potřebného ke zvýšení teploty měřeného vzorku a referenčního vzorku jako funkce teploty. Při měření v diferenčním snímacím kalorimetru se testuje látka, která se zahřívá za definovaných podmínek, tj. v atmosféře vzduchu nebo inertní atmosféře, se zvolenou konstantní rychlostí ohřevu. Výstupem je závislost reakční entalpie na teplotě nebo na čase (DSC křivka). Na DSC křivce se detekují píky, které odpovídají endotermnímu nebo exotermnímu ději a jejím vyhodnocením lze určit, jak velká energie se spotřebuje nebo uvolní s daným dějem a při jakých teplotách jednotlivé děje probíhají. Endotermní děj (tání) je takový děj, při kterém se spotřebovává teplo z okolí a při exotermním ději (rozklad, případně hoření) se naopak teplo uvolňuje.
Dalším příkladem metody termické analýzy je termogravimetrie (TGA), kdy sledovanou veličinou je změna hmotnosti vzorku v závislosti na teplotě. Výstupem je křivka TGA, která napomáhá identifikovat charakter dějů probíhajících při zahřívání materiálů a dále umožňuje rozpoznat jejich počátek a konec. Proto se také v praxi často používá simultánní termická analýza, při které se sledují dvě nebo více fyzikální veličiny současně během jednoho měření [3]. Nejběžnějším uspořádáním je spojení diferenční snímací kalorimetrie a termogravimetrie.
V laboratořích TÚPO se pro měření simultánní termické analýzy využívá přístroj STA i 1500, který umožňuje hodnotit vlastnosti vzorků zahřívaných až do teploty 1500 °C v různých atmosférách. Pro měření chování materiálů při zahřívání za zvýšených tlaků se používá vysokotlaký diferenční snímací kalorimetr HP 204 DSC Pheonix. Přístroj měří při atmosférickém tlaku a při přetlacích (0 až 150 bar) a při teplotách (20 až 600 °C) v měřicí cele. Je možné porovnat, jak se materiál chová při atmosférickém a zvýšeném tlaku. Teplota rozkladu polymerů se zvýšeným tlakem se posune směrem k nižším hodnotám. Pro ilustraci jsou na obr. 3 ukázány výstupy měření (DSC a TGA křivka). Na obr. 3 je DSC a TGA křivka nízkohustotního polyetylenu. Na DSC křivce byly identifikovány dva děje. Jedná se o tání, které probíhá od 100 °C do 120 °C a tento děj není spojen s úbytkem hmotnosti. Následuje tepelný rozklad na vzduchu, který začíná od 230 °C a končí při 540 °C, probíhá ve více krocích a je doprovázen výrazným poklesem hmotnosti materiálu.

Obr. 2a Přístroj STA i 1500	Obr. 2b HP 204 DSC Pheonix

Diferenční snímací kalorimetrie
JObr. 3 DSC a TGA křivka nízkohustostního polyetylenu ze simultálnní termické analýzyednou z možností využití diferenční snímací kalorimetrie je identifikování tání a tepelného rozkladu polymerů a tání kovových materiálů a stanovení teploty počátku těchto dějů. Plasty mají v dnešní době široké využití jak v domácnostech, tak v jednotlivých oblastech průmyslových odvětví. Vyskytují se v automobilech, jsou součástí stavebních materiálů a technologických zařízení. Ze stanovené teploty tání a teploty tepelného rozkladu spolu s vizuálním hodnocením zbytku plastu z místa požáru je možné odvodit, jaké teploty se vyskytovaly při požáru v blízkosti zkoumaného plastu. Teplo, které vznikne nejen požárem, ale i přehřátím používaného zařízení, se na polymerním materiálu projeví způsobem, že tento materiál začne tát při jeho teplotě tání. Dochází k narušení vazeb v rámci pevné struktury a materiál přechází do kapalného skupenství. Plast se začíná chovat jako kapalina, a tím značně změní mechanické vlastnosti. Účinkem vnějších sil snadno mění tvar a snižuje se jeho pevnost. Některé druhy polymerů tají již při teplotě 100 °C. Příkladem využití plastů v praxi jsou hadičky vedoucí plyn od tlakových lahví k zařízení, dále se plastové hadičky vyskytují i v automobilech.
Příkladem využití teploty tání kovů je při tvorbě požárně technické expertizy, kdy při požáru došlo k odkapávání roztavených kovů na hořlavé předměty. Nalezení roztaveného kovu na místě požáru a stanovení jeho teploty tání ukazuje na to, že během požáru muselo být v blízkosti tohoto kovu dosaženo stejných nebo vyšších teplot, než je naměřená teplota tání.
Metody termické analýzy provozované v laboratořích TÚPO umožňují ověřit:

• procesy probíhající v tepelně namáhaných materiálech se stanovením charakteristických teplot (tání, tepelný rozklad apod.) společně se záznamem změny hmotnosti,
• vliv experimentálních podmínek (rychlost ohřevu, atmosféra) na průběh dějů v tepelně namáhaných materiálech,
• tepelnou stálost materiálů (rozklad),
• zhodnotit komplexní chování materiálu při jeho zahřívání.

Uvedené metody se běžně využívají pro potřeby Hasičského záchranného sboru ČR, ale i během řešení výzkumných úkolů a při spolupráci s vysokými školami (VŠCHT Praha, VŠB Ostrava, VUT Brno). Metoda vysokotlakého diferenčního snímacího kalorimetru je v současné době akreditována podle ISO 75 025 Českým institutem pro akreditaci v rámci Zkušební laboratoře TÚPO č. 1011. 2.

Literatura
[1] LEDRU, J., IMRIE, C. T., HUTCHINSON, J. M., HÖHNE, G. W. H. High pressure differential scanning calorimetry: Aspects of calibration. Thermochimica Acta. Vol. 446, 2006, str. 66–72.
[2] ŠTARHA, P., TRÁVNÍČEK, Z. Termická analýza. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011.
[3] Höhne G. W. H. High pressure differential scanning kalorimetry on polymers. Termochimica Acta 332, 1999, str. 115–123.
[4] WENDLANDT, W. W. Thermal Analysis. 3rd edition. USA: John Wiley & Sons Ltd., 1985.


kpt. Ing. Petra BURSÍKOVÁ, Ph.D., kpt. Ing. Romana FRIEDRICHOVÁ, Ph.D., foto archiv TÚPO
 

Print  E-mail  X Corp.   Facebook