Untersuchung von Brandgasen an Elastomeren




Diplomarbeit


von


Nicholas Büthe



vorgelegt dem Prüfungsauschuß für die Diplom-Chemiker-Hauptprüfung

der Universität Hannover

Hannover 1996




Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Juli 1996 bis Dezember 1996 am Institut für Anorganische Chemie der Universität Hannover, Fachgebiet Analytische Chemie, unter der Betreuung von Herrn Prof. Dr. G. Wünsch angefertigt. Die experimentellen Arbeiten erfolgten am Deutschen Institut für Kautschuktechnologie e. V. (DIK), Hannover. Spezielle Messungen wurden am Institut für Technische Chemie der Universität Hannover, Arbeitsgruppe Prof. Rotzoll, durchgeführt.














Herrn Prof. Dr. G. Wünsch danke ich für die Bereitstellung des Themas und für seine Betreuung während der Anfertigung dieser Arbeit. Herrn Dr. R. H. Schuster danke ich für die hilfreichen Denkanstöße und die Möglichkeit, im DIK Experimente und Messungen durchzuführen.

Ein besonders herzliches Dankeschön gilt der "Vor-Ort-Betreuung" von Herrn Dr. U. Giese für seine freundliche Unterstützung und Diskussionsbereitschaft. Sehr herzlichen Dank auch an Frau Dr. Anke Blume für die sehr hilfreiche "Fern-Diskussion". Den Mitarbeitern des DIK danke ich für die schnelle Integration in das Institutsleben und die ebenfalls freundliche und hilfsbereite Unterstützung, vor allem beim Einrichten und Durchführen von experimentellen Arbeiten.

Meinen Eltern und Christina bin ich großen Dank schuldig. Ohne sie wären gewisse Zeitmanagement-Probleme nicht behebbar gewesen.

Dem Wirtschaftsverband der deutschen Kautschukindustrie e. V. (WdK) gebührt Dank für die finanzielle Unterstützung dieses Projektes.


Zusammenfassung

Büthe, Nicholas

Untersuchung von Brandgasen an Elastomeren

Brände von Elastomeren sind aufgrund der entstehenden Wärmemengen kaum kontrollierbar und bergen wegen der dabei entstehenden toxischen Brandgase Risiken für Mensch und Umwelt.

In dieser Arbeit wurde systematisch untersucht, was für Substanzen beim Brand von Gummi und dessen Rohstoffen entstehen. Dazu wurde eine Apparatur zur Simulation von Bränden im Labormaßstab und ein Analyseverfahren für Brandgase entwickelt. Schwelbrände und offene Brände ...

... machen zu können.


Inhalt

...


1 Praktischer Hintergrund und Zielsetzung

Brände in Lagern der Gummi- und speziell der Reifenindustrie für Elastomere sind nur außerordentlich schwierig zu kontrollieren und einzudämmen. Hauptursache dafür ist die in großen Mengen freiwerdende Wärme, welche z. B. für Naturkautschuk 8000 kWh/kg beträgt und damit höher ist als die von Steinkohle (6000 kWh/kg). Beim Löschen von Reifenbränden gibt es zusätzliche Schwierigkeiten durch die im Stahlgürtel gespeicherte große Wärmemenge, welche den bereits abgelöschten Reifen nach dem Ablaufen des Löschwassers wieder entzünden kann (vgl. Abb. 1). Die Brandbekämpfung beim Brand eines Reifenlagers beschränkt sich somit meist nur auf den Schutz der benachbarten Gebäude vor Flammenübergriffen.

Bei Bränden von Elastomeren ist neben den Folgen aus der rein physikalischen Hitzeeinwirkung das Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt aus den emittierten toxischen Brandgasen zu beachten (vgl. Kap. 2.2.6).

Es ist bekannt, daß beim Brand von polymeren Werkstoffen und Materialien ein kleiner Teil dieser Substanzen in ihrer monomeren / oligomeren Form freigesetzt wird. Der weitaus größte Teil zersetzt sich aber unter der Temperatureinwirkung und bildet mehr oder weniger flüchtige Reaktions- bzw. Zersetzungsprodukte. Zusätzlich kommt es zu Sekundärreaktionen der Zersetzungsprodukte untereinander. Die Brandtemperatur und die Ventilationsbedingungen am Brandort haben dabei erheblichen Einfluß auf die Zusammensetzung der Brandgase. Daraus ist ableitbar, daß es sich bei Brandgasen um äußert komplexe Gemische handelt, deren potentielle toxikologische Wirkung auf Mensch und Umwelt nur äußert schwierig abzuschätzen sind.

Bisher wurden Brandeigenschaften von Materialien präventiv oftmals nur anhand einer Vielzahl physikalisch orientierter Prüfvorschriften [] untersucht. Diese normierten Tests messen z. B. Brenn- und Entzündbarkeit, Flammenausbreitungsgeschwindigkeit oder die Rauchgasdichte. Für Toxizitätsuntersuchungen an den Brandgasen der Prüfmaterialien (besonders im Hinblick auf synergistische Effekte der Verbrennungsprodukte) greift man bisher hauptsächlich auf Tierversuche [] zurück und ermittelt in Versuchsreihen das akuttoxische Gefährdungspotential. Die Untersuchungen nach einem Brand beschränkten sich in der Vergangenheit in der Regel auf eine Charakterisierung der Brandursache, der Suche nach dem Brandherd und dem Weg der Brandausbreitung. Daraus wurden dann Präventivmaßnahmen für eine Brandvorsorge abgeleitet.

Für ein situationsgerechtes Handeln in einem Brandfall und einer vorsorglichen Risikoabschätzung ist es aber erforderlich, die Zusammensetzung von Brandgasen, insbesondere hinsichtlich toxischer Komponenten, in Abhängigkeit von der Brandlast) und den einwirkenden Parametern Temperatur und Ventilation zu kennen.

Ziel dieser Arbeit war es daher, grundlegende Erkenntnisse über die Zusammensetzung von Brandgasen aus Elastomeren (verschiedene Rohpolymere/Kautschukmischungen/Vulkanisate) in Abhängigkeit von den Brandbedingungen zu gewinnen. Dazu wurde ein Verfahren zur Simulation von Bränden und zur Analyse von Brandgasen an Elastomeren entwickelt. Eine Apparatur wurde konstruiert, in Betrieb genommen und erprobt, die die Verbrennung einer Vielzahl von Gummiproben unter reproduzierbaren Bedingungen und mit reproduzierbaren Ergebnissen ermöglicht. Sie sollte die definierte Einstellung der zwei wichtigen Brandparameter Temperatur und Ventilation ermöglichen. Durch ein geeignetes Probenahmesystem sollten die entstehenden Brandprodukte möglichst vollständig erfaßt werden. Eine qualitative und in speziell ausgewählten Fällen auch quantitative Analyse der Brandprodukte - in Abhängigkeit von den genannten Parametern - sollte Informationen zur Vorhersage von Brandgaszusammensetzungen liefern.

Hinsichtlich der Probenahme und Analytik von Gasen und Dämpfen wurde auf vorliegende Ergebnisse [3-7] zurückgegriffen.


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author: Nicholas Büthe, page-location: http://www.buethe.onlinehome.de/diplom.htm