Для разработки эффективных фосфорорганических пламегасителей и антипиренов и их оптимального практического применения необходимо понимание химического механизма ингибирования пламен этими соединениями. Поэтому значительный интерес представляет изучение кинетического механизма реакций обрыва радикальных цепей в пламени, которые катализируются химически активными ингибиторами или продуктами их горения. Важнейшим в этой связи является вопрос, как меняется эффективность ингибирования пламени фосфорорганическими соединениями (ФОС) с изменением состава горючей смеси. Фосфорсодержащие антипирены традиционно применяются для снижения горючести органических полимеров, однако механизм их действия недостаточно исследован. Существовала гипотеза о том, что в пламени местом их действия является зона химических реакций. Для ответа на эти вопросы необходимы как экспериментальные данные по структуре пламени и скорости его распространения, так и результаты численных расчетов.
Для решения поставленных задач необходимо:
(1) Изучить структуру:
a) ламинарного предварительно перемешанного бедного и богатого пламен CH4/O2/Ar без добавок и с добавкой триметилфосфата, стабилизированных на плоской горелке.
б) диффузионного пламени CH4/N2-O2/N2 с добавкой триметилфосфата (ТМФ) на противотоках горючего и окислителя.
(2) Изучить влияние добавок антипиренов (этилбромида, гексабромциклододекана, трифенилфосфиноксида) на скорость распространения адиабатического пламени CH4/O2/N2 и на его структуру.
(3) Изучить влияние добавок ТМФ на скорость распространения метано- и пропановоздушных пламен в широком диапазоне коэффициента избытка горючего.
(4) Изучить применимость ранее разработанного кинетического механизма ингибирования пламен добавками ФОС для описания всего набора экспериментальных данных, определить с помощью анализа чувствительности наиболее важные реакции в механизме.
Зондовая молекулярно-пучковая масс-спектрометрия (МПМС) с мягкой (селективной) ионизацией электронным ударом позволяет измерить концентрации практически всех компонентов пламени, включая нестабильные соединения и радикалы. В данной работе этот метод впервые был применен для изучения структуры диффузионного пламени СН4/N2 - О2/N2 на противотоках горючего и окислителя. Для минимизации возмущений пламени зондом отбор проводился на периферии пламени, а не по его осевой линии. Обоснованность такого подхода была доказана сопоставлением результатов измерений с помощью “звукового” зонда, микрозонда, а также рассчитанных методом моделирования профилей концентраций компонентов пламени.
Метод МПМС также впервые был применен для измерения структуры ламинарного предварительно перемешанного пламени СН4/О2/N2, стабилизированного на горелке Маха-Хебра (разновидность горелки Бунзена). Такое пламя находится в близких к адиабатическим условиях. Введение малой добавки ингибитора в пламя практически не влияет на его температуру (в отличие от стабилизированных на плоской горелке охлажденных пламен), поэтому возможна количественная оценка эффективности различных ингибиторов по снижению концентрации Н и ОН. Сопоставление измеренных и рассчитанных методом моделирования профилей концентраций компонентов пламени позволило обосновать применение МПМС для изучения структуры данного пламени. Также было разработано оригинальное устройство для введения малых добавок твердых малолетучих антипиренов в пламена.
Для измерения нормальной скорости распространения пламен применен метод нулевого потока тепла в горелку, обеспечивающий высокую точность измерений.
В результате проведенных исследований было установлено, что:
Таким образом, результаты проведенных исследований существенно расширили понимание химии процессов ингибирования и позволили объяснить эффекты, наблюдавшиеся ранее, но не имеющие объяснения.
Представленные на конкурс работы были поддержаны грантами INTAS № 03-51-4724, грантом Сибирского отделения РАН в рамках молодежного проекта №76, Фондом содействия отечественной науки, а также представлены на международных конференциях и симпозиумах: