תהליך הבעירה של חומרים
דליקוּת חומרים, בעיקר פלסטיק, היא סיכון משמעותי. המאמר סוקר את תהליכי הבעירה (פירוליזה, הבזקה), דינמיקת אש בחדר סגור, סכנות העשן, ופתרונות הנדסיים כמו מעכבי בעירה ומערכות שחרור עשן להגנה על חיי אדם ורכוש
יהונתן אליאב
7/4/20221 min read
בעולם המודרני, אנו מוקפים בחומרים פולימריים, או בשמם הנפוץ יותר - פלסטיק. מאז פיתוחם סביב מלחמת העולם השנייה, השימוש בהם גדלבקצב שהלך והתגבר עם הזמן והם הפכו לחלק בלתי נפרד מחיינו - בבתים שלנו, במשרדים ובתעשייה. למרות יתרונותיהם הרבים, לפולימרים יש מאפיין משותף אחד שדורש התייחסות הנדסית מיוחדת: כולם דליקים, בדרגות שונות.
מה קובע את מידת הדליקות?
לא כל הפולימרים בוערים באותה צורה. ישנם פולימרים דליקים מאוד, הניצתים בקלות והלהבה מתפשטת בהם במהירות רבה. אחרים הם בעלי דליקות נמוכה יותר - הם עדיין יכולים לבעור, אך קשה יותר להציתם והתפשטות הלהבה עשויה להיות איטית או שהם כלל לא יקיימו בעירה עצמית.
תהליך הבעירה של פולימר מתחיל בחימום. כאשר פולימר מתחמם (למשל, ממקור הצתה חיצוני), הוא מגיע לטמפרטורה קריטית שבה הוא מתחיל להתפרק כימית בתהליך הנקרא פירוליזה. בשלב זה, משתחררים מהחומר המוצק גזים דליקים (תוצרי פירוליזה). ככל שהחימום נמשך, קצב הפירוליזה גובר, וריכוז הגזים הדליקים באוויר עולה. כשהתערובת של גזים אלה וחמצן מגיעה לתנאים המתאימים, מתרחשת הצתה ונוצרת להבה.
הפחתת דליקוּת החומרים מתחיל בייצורם
מהנדסים וחוקרים פועלים כל הזמן לפיתוח פתרונות להפחתת דליקות חומרים. אחת הדרכים היא הוספת מעכבי בעירה לפולימר. חומרים אלה יכולים לפעול במנגנונים שונים, אך המטרה העיקרית היא לעכב את תהליך הבעירה. למשל, מעכב בעירה יכול לגרום לכך שהפולימר יצטרך להתחמם לטמפרטורה גבוהה יותר או לזמן ממושך יותר כדי להתחיל בפירוליזה, וגם תהליך ההצתה עצמו יתעכב.
בניסוי מעבדה שהודגם במחלקה להנדסת מכונות שבאימפריאל קולג' לונדון, ניתן לראות בבירור את ההבדל: דגימת פולימר רגילה ניצתה מיד במגע עם להבה, הלהבה התפשטה במהירות על פני כל הדגימה, ואף נצפו טפטופים בוערים – חלקי חומר נוזליים ובוערים שניתקו ונפלו, תופעה מסוכנת שיכולה לגרום להתפשטות מהירה של השריפה. לעומת זאת, דגימה זהה שהכילה מעכב בעירה לא ניצתה כלל באותם תנאים, אלא רק עברה חריכה קלה באזור החשיפה ללהבה. חומר כזה הוא בטיחותי יותר באופן מובהק, אם כי חשוב לציין שבדיקה אחת אינה מספיקה כדי לקבוע בטיחות מוחלטת, ויש צורך בסדרת בדיקות מקיפה.
מורכבות התהליך: מעבר לחומר הבודד
דליקות של חומר אינה תלויה רק בהרכבו הכימי. גורמים פיזיקליים רבים משפיעים על התהליך:
-מעבר חום: האם החום מגיע בעיקר מקרינה (כמו מלהבה רחוקה) או מהסעה (ממגע ישיר של הלהבה)?
-תכונות החומר: האם החומר נוטה להיסדק בחום (כמו עץ), או ליצור בועות (כמו פלסטיק מסוג PMMA)? שינויים אלה משפיעים על קצב הפירוליזה ומעבר החום.
-הסביבה: כיצד הגזים הדליקים מתערבבים עם האוויר בסביבת החומר?
כל התהליכים המורכבים האלה, הכוללים פיזיקה וכימיה, קובעים יחד את התנהגות הבעירה של החומר.
מהחומר לחדר: דינמיקת אש בחללים סגורים
בשונה מניסוי מעבדה, הבנת דליקות החומר הבודד היא רק הצעד הראשון. בסביבה "אמיתית" כמו חדר או בניין, התמונה הופכת מורכבת בהרבה. כאשר פריט ריהוט, כמו ספה, מתחיל לבעור בחלל סגור (תופעה הנקראת "שריפה בחלל סגור" - Compartment Fire), מתפתחת דינמיקה שונה מאשר בבעירה חופשית בשטח פתוח:
-הצטברות עשן: העשן החם עולה כלפי מעלה, פוגע בתקרה ומתחיל להצטבר כשכבה עליונה היורדת בהדרגה וממלאת את החלל. ירידת שכבת העשן מסכנת חיים, שכן נשימת עשן היא קטלנית ביותר. מהירות ירידת השכבה תלויה בקצב שחרור החום של השריפה ובנפח החדר.
-האצת הבעירה: החום והעשן הנכלאים בחלל מקרינים חום חזרה אל הפריט הבוער ואל פריטים אחרים בחדר, מה שמגביר את קצב הפירוליזה ומאיץ את התפשטות האש. שריפה בחלל סגור נוטה להיות מהירה וחזקה יותר מאשר באוויר הפתוח.
-אספקת חמצן מוגבלת: האש זקוקה לחמצן כדי לבעור. בחלל סגור, אספקת החמצן מוגבלת לפתחים כמו דלתות וחלונות. לעיתים, קצב הבעירה מוגבל על ידי כמות החמצן הזמינה (ללא קשר לעומצת החום וזמינות החומר הדליק).
שלבי התפתחות שריפה בחלל סגור:
ניתן לחלק התפתחות שריפה טיפוסית בחלל סגור לשישה שלבים מרכזיים:
1. הצתה (Ignition): הפריט הראשון מתחיל לבעור.
2. גדילת האש (Fire Growth): הלהבה מתפשטת, תחילה כלפי מעלה ואז לרוחב.
3. מילוי בעשן (Smoke Filling): שכבת העשן מצטברת בתקרה ומתחילה לרדת.
4. הצתה משנית (Secondary Ignition): פריטים נוספים בחדר מתחממים מהקרינה של האש ושל שכבת העשן וניצתים גם הם.
5. הבזקה (Flashover): זהו שלב קריטי ומסוכן ביותר. החום בחלק העליון של החדר כה רב, עד שכל המשטחים הדליקים בחדר ניצתים כמעט בו-זמנית. החדר כולו הופך לגיהינום בוער. בשלב זה, האש עשויה לצאת דרך הפתחים (דלתות, חלונות) בחיפוש אחר חמצן נוסף ("להבות חיצוניות" - External Flaming), מה שעלול לגרום להתפשטות השריפה לקומות אחרות או למבנים סמוכים.
6. לאחר הבזקה (Post-Flashover): השריפה ממשיכה לבעור בעוצמה גבוהה, כשהיא לרוב מוגבלת על ידי כמות החמצן הנכנסת. שלב זה מהווה את האתגר הגדול ביותר למבנה עצמו (עמידות אש של שלד הבניין) ולכוחות הכיבוי.
חשיבות השליטה בעשן
כאמור, עשן הוא גורם הסיכון העיקרי לנפגעים בשריפות. לכן, במבנים רבים, ובמיוחד במבני ציבור, מותקנות מערכות לשחרור עשן (Smoke Ventilation Systems). במקרים מסויימים יהיה מדובר באמצעי הגנה פסיביים כמו חלונות רפפה ולעיתים מערכות אקטיביות כמו גילוי עשן שיפעיל מפוחים כדי לפנות את העשן דרך תעלות ופירים מהחלל המוגן (כמו נתיבי מילוט או אטריום גדול) אל מחוץ לבניין, ובכך לשמור על נתיבי מילוט פנויים ובטוחים ולאפשר את פינוי האנשים.
תפקידו של יועץ בטיחות האש
הבנת הדליקות על כל היבטיה - מרמת החומר הבודד, דרך המוצר המוגמר (כמו רהיט), ועד להתנהגות האש בחלל סגור ובבניין כולו - היא חיונית עבור יועץ בטיחות האש. היועץ נדרש לשלב ידע מתחומים שונים וליישם פתרונות הנדסיים בכל קנה מידה כדי להגן על חיי אדם, רכוש והסביבה מפני סכנות האש והעשן. גם כאשר לא כל המידע המדעי המלא זמין, על היועץ לפעול מתוך אחריות כדי להבטיח בטיחות, כפי שניסח זאת פרופ' הנרי פטרוסקי: "רופאים ומהנדסים... אינם יכולים להמתין להבנה מדעית מלאה לפני שהם פועלים להצלת חיים..."
