056 1 Kunststoffen bij brand Onder kunststoffen verstaan we in dit artikel synthetische polymeren (onder andere plastics). Deze stoffen komen herhaaldelijk in negatieve zin in de publiciteit bij branden. Daarbij is de gedachte dat deze stoffen makkelijk ontbranden, een grote bijdrage geven aan de branduitbreiding en grote hoeveelheden giftige verbrandingsprodukten produceren. Hoewel kunststoffen inderdaad een aantal specifieke problemen kunnen veroorzaken bij brand, is dit beeld in zijn algemeenheid onjuist. Synthetische polymeren Synthetische polymeren bestaan uit lange ketens van een of meer soorten kleine moleculen (de monomeren). De eigenschappen van de polymeren worden onder andere bepaald door de monomeren waaruit zij zijn opgebouwd, het aantal dwarsverbindingen tussen de ketens en door de toeslagstoffen. Enige toeslagstoffen zijn: weekmakers (vergroting van de flexibiliteit); vulstoffen (vergroting van de materiaalsterkte, betere bewerkbaarheid); stabilisatoren (tegengaan van vergeling en oxidatie); kleurstoffen; brandvertragers en rookonderdrukkers. De toeslagstoffen kunnen tientallen procenten van het totale gewicht uitmaken.
056 2 Kunststoffen bij brand Brandgedrag van kunststoffen Kunststoffen zijn organische stoffen die worden gerekend tot de brandbare vaste stoffen. Ze worden niet beschouwd als gevaarlijke stoffen, in tegenstelling tot de monomeren waaruit ze zijn opgebouwd. Deze monomeren zijn brandbare gassen (bijvoorbeeld etheen, propeen), gassen die brandbaar en giftig zijn (vinylchloride) of vloeistoffen die brandbaar en giftig zijn (acrylonitril). Op grond van hun gedrag bij matige verwarming worden de kunststoffen onderverdeeld in thermoplasten en thermoharders. Tabel 1. Enkele kenmerken van kunststoffen i.v.m. verbranding( * ) naam toepassing gedrag bij verbranding mogelijke giftige verbrandingsprodukten polystyreen isolatiemateriaal vrij hoge verbrandingssnelheid, oranje/ gele sterk roetende vlam, roetklonters zoetige hyacinthachtige geur koolmonoxide diverse koolwaterstoffen aldehyden polyetheen buizen, zakken vrij hoge verbrandingssnelheid, lichtblauwe vlam met gele top, ruikt als uitgeblazen kaars koolstofmonoxide diverse koolwaterstoffen aldehyden polyvinylchloride buizen, bedrading langzame verbrandingssnelheid, geelgroene vlam met spetters, witte of zwarte rook en een scherpe geur als polyetheen zoutzuur fosgeen, chloor polytetrafluoretheen teflon ontbrandt niet wasachtige geur waterstoffluoride carbonylfluoride polymethylmethacrylaat plexiglas vrij hoge verbrandingssnelheid, knetterende blauw-gele vlam, sinaasappelgeur als polyetheen nitrillen (o.a. blauwzuur) aminen stikstofoxiden ammoniak
056 3 naam toepassing gedrag bij verbranding mogelijke giftige verbrandingsprodukten polyurethaan isolatiemateriaal grote verbrandingssnelheid, vallende brandende druppels veel gele tot zwarte rook als polymethylmethacrylaat ( * ) De in deze tabel genoemde kenmerken zijn globaal en indicatief. Zij zijn afhankelijk van de precieze samenstelling van kunststof en van de verbrandingsomstandigheden. De thermoplasten worden bij verwarming eerst zacht en vervormbaar zonder dat chemische veranderingen plaatsvinden. Vanaf een bepaalde temperatuur, de verwekingstemperatuur beginnen ze te verweken. Als gevolg hiervan kunnen in de praktijk gevaarlijke situaties ontstaan door het bezwijken van kunststofconstructies bij relatief lage temperaturen of door het vrijkomen van elektrische bedrading. Verweken kunnen we zien als het begin van smelten. Sommige kunststoffen kunnen doordat ze bij brand smelten en uitvloeien bijdragen tot uitbreiding van een brand. Dit kan plaatsvinden in de vorm van vallende brandende druppels, bijvoorbeeld bij een stof als polystyreen (piepschuim). Bij de thermoharders bestaan vele dwarsverbindingen tussen de polymeerketens. Daardoor vervormen ze nauwelijks bij verwarming, maar ondergaan bij verdere verhitting evenals de thermoplasten chemische veranderingen door ontleding en verbranding. Afgezien van het verwekings- en smeltgedrag, zijn bij het beoordelen van het brandgedrag van kunststoffen de volgende vier factoren van belang: de ontvlambaarheid; de snelheid waarmee vlammen zich over een kunststofoppervlak uitbreiden; de bijdrage van de kunststoffen aan de totale hoeveelheid warmte die bij een brand vrijkomt; de hoeveelheid rook en de giftigheid van de rook en de gasvormige verbrandingsprodukten.
056 4 Kunststoffen bij brand Ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid Ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid spelen een belangrijke rol in het beginstadium van een brand. Zij bepalen of een materiaal al dan niet snel gaat meebranden en hoe snel de vlammen zich voortplanten. In diverse landen, waaronder Nederland, worden op deze punten eisen gesteld aan bekledingsmaterialen voor wanden, plafonds, vloerbedekkingsmaterialen en dergelijke. Veel kunststofmaterialen zijn onderworpen aan ontvlambaarheids- en vlamuitbreidingstesten. De uitkomsten van deze tests hangen naast de (chemische) aard van het materiaal af van onder andere de vorm (platen, schuim, dikte van het materiaal), de toegepaste lijm- of verflagen en eventueel aanwezige naadverbindingen. Uit de resultaten van dergelijke testen kan men concluderen dat er talloze toepassingen van kunststoffen zijn die wat betreft ontvlambaarheid en vlamuitbreidingssnelheid geen groter risico opleveren dan hout of andere natuurlijke materialen. Verbrandingswarmte Een heel andere situatie dan bij de toepassing als bouwmateriaal of in meubels en stoffering komen we tegen bij opslagplaatsen van kunststoffen. Door de grote hoeveelheden en door de relatief grote verbrandingswaarde van een aantal kunststoffen, kan op deze plaatsen veel warmte per eenheid van vloeroppervlak vrijkomen en kan de brandduur lang zijn. De verbrandingswaarde van stoffen als polyetheen, polypropeen en polystyreen ligt in de buurt van de 40 MJ/ kg, terwijl de meeste houtsoorten onder de 20 MJ/kg blijven. Andere kunststoffen (polyvinylchloride (PVC), polyformaldehyde) hebben met hout vergelijkbare of lagere verbrandingswaarden. Ook hier is van belang welke stoffen naast het polymeer zelf in de kunststof aanwezig zijn. In de brandpreventie moet met deze zaken terdege rekening worden gehouden, bijvoorbeeld bij het bepalen van de tijd gedurende welke een scheidingswand brandwerend moet zijn.
056 5 Rookproduktie Kwantitatief wordt de rookproduktie van materialen bepaald door onder standaardomstandigheden de hoeveelheid licht te meten die door een door het materiaal geproduceerde rookkolom wordt doorgelaten. De rookproduktie wordt uitgedrukt in een rookgetal, dat varieert van meer dan 200 (grote rookproduktie) voor polyurethaanschuim en bepaalde soorten PVC tot 1 voor fenolformaldehydeschuim. Voor diverse houtsoorten ligt het rookgetal tussen 5 en 60. De uitkomsten van dergelijke testen zijn wel van belang voor de praktijk, maar bedacht moet worden dat andere factoren, met name de ventilatiecondities (rookafvoer, zuurstoftoetreding) van zeer groot belang zijn. PVC bijvoorbeeld heeft bij smeulen een kleinere rookdichtheid dan hout, maar in het vlammenstadium juist een grotere. Vlamvertragers worden aan kunststoffen toegevoegd om hun bijdrage aan de brandvoortplanting te verminderen. Een neveneffect is echter vaak dat de rookproduktie dan toeneemt. Andere toevoegingen kunnen de rookproduktie dan weer verminderen. De hoeveelheid rook die (per tijdseenheid) bij een brand ontstaat is vooral van belang in verband met de vermindering van het zicht, waardoor het vluchten bemoeilijkt wordt. Rook bestaat uit vaste deeltjes, gecondenseerde damp en gemakshalve rekenen we er ook de gasvormige verbrandingsprodukten bij. Dit mengsel is altijd giftig of het nu een brand met voornamelijk hout of een brand van kunststoffen betreft. Giftige verbrandingsprodukten van hout zijn koolstofmonoxide, koolstofdioxide en een groot aantal andere verbindingen zoals organische zuren, aldehyden (waaronder het zeer irriterende acroleïne) en (poly)cyclische aromatische koolwaterstoffen. De giftigheid van deze verbrandingsprodukten veroorzaakt meer brandslachtoffers dan het vuur zelf. Vooral koolstofmonoxide speelt daarbij een belangrijke rol. Voor branden waarbij kunststoffen zijn betrokken is de situatie doorgaans niet veel anders. Een verschil is wel dat bij grote opslagen specifieke verbrandingsprodukten in flinke hoeveelheden kunnen vrijkomen. Hierbij kunnen we denken aan zoutzuur (en in mindere mate chloor en fosgeen) bij de verbranding van PVC,
056 6 Kunststoffen bij brand blauwzuur en stikstofoxiden bij verbranding van polyurethaan en bijvoorbeeld fluorwaterstof bij verbranding van teflon. De giftigheid van de rook blijft echter doorgaans voor een belangrijk deel bepaald door koolstofmonoxide en andere normale verbrandingsprodukten. Een ander probleem van rook is de corrosieve werking. Dit speelt onder andere een rol bij branden waarbij grote hoeveelheden PVC betrokken zijn (vorming van zoutzuur). Door toevoeging van kalk aan de PVC kan de vorming van zoutzuurdampen worden beperkt. Brandbestrijding Bij de brandbestrijding moet rekening gehouden worden met de tot dusver genoemde aspecten. Wat de kunststoffen zelf betreft behoeft de brandbestrijding, bij voldoende preventieve voorzieningen, niet veel moeilijker te zijn dan bij een brand waarbij dergelijke stoffen niet betrokken zijn. Bij kunststofbranden speelt nauwelijks de problematiek van waterverontreiniging door met het bluswater afgevoerde milieutoxische stoffen, zoals bij branden van opslagplaatsen van bestrijdingsmiddelen. Branden in fabrieken waar kunststoffen worden geproduceerd, kennen wel bijzondere problemen, zoals het uitlopen van smeltende brandende kunststoffen. Andere problemen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van oplosmiddelen, monomeren en peroxiden (starters van het polymerisatieproces). Bij aanwezigheid van dergelijke stoffen bestaat het gevaar van extra snelle branduitbreiding of zelfs explosies van reservoirs. Literatuur Kunststoffen vandaag en morgen, uitgave van de Ned. Fed. voor Kunststoffen te Woerden en de Ned. Ver. van Rubber- en Kunststoffabrikanten te s-gravenhage. 1986. Richard L. Tuve, Principles of Fire Protection Chemistry, National Fire Protection Association, Boston 1976. John W. Lyons, Fire, Scientific American Library... (verschijnt binnenkort bij de stichting Natuur & Techniek).
056 7 Drs. L. J. Bijl, Uit de brand... handboek brandonderzoek, Kon. Vermande BV. Lelystad 1987. Association of Plastics Manufacturers in Europe, PVC... The Facts, 1986. Tijdschrift: Fire and Materials, John Wiley & Sons, Chichester (UK), New York. Toronto. december 1987 Drs. W. J. Klijn Drs. P. P. H. Swinkels Ministerie van Binnenlandse Zaken Directie Brandweer Afdeling Bestrijdings- en Hulpverleningstechniek