Generalità

Qualsiasi sostanza organica, in particolari condizioni di temperatura e concentrazione di ossigeno, brucia. La presenza della fiamma dà luogo a tutta una serie di trasformazioni chimico-fisiche che costituiscono il cosiddetto comportamento al fuoco. Esso dipende, oltre che dal tipo del materiale, anche da diversi altri fattori quali il tipo di innesco, la forma e la posizione dell’oggetto rispetto alla fiamma, l’umidità relativa. In particolare, il comportamento al fuoco può essere valutato sotto due diversi aspetti:

 la reazione al fuoco, ossia il grado di partecipazione di un materiale combustibile ad un incendio in atto;

 la resistenza al fuoco, ossia la capacità di un materiale strutturale di conservare stabilità, tenuta e isolamento richiesti per un determinato tempo prefissato.

I polimeri cellulari, in genere, presentano un comportamento al fuoco decisamente critico a causa della bassa densità e della bassa inerzia termica: tutto ciò comporta il raggiungimento in tempi brevi di temperature elevate e di conseguenza un’elevata velocità di degradazione del polimero stesso.

Altro aspetto rilevante del comportamento al fuoco è l’infiammabilità dei gas, sia dei prodotti che si sviluppano durante la pirolisi, sia di eventuali espandenti infiammabili impiegati, quali ad esempio il pentano.

3.1.1 Combustione

La combustione è una reazione chimica di ossidazione che comporta lo sviluppo di luce e calore. Tre sono gli elementi necessari per la combustione:

 una (o più) sostanza combustibile;

 una (o più) sostanza comburente;

 una fonte di innesco.

L'insieme di queste tre componenti costituisce il cosiddetto triangolo del fuoco. Se manca anche solo uno di questi elementi la combustione non avviene. In certi casi, per combustibili solidi, può anche essere assente la fonte di innesco se si supera una certa temperatura, che viene detta temperatura di autoaccensione, o autoignizione: in tal caso, però, è proprio il gradiente termico a fungere da innesco.

Durante la combustione le molecole di ossigeno si combinano con gli atomi di una sostanza combustibile, tipicamente con il carbonio e con l’idrogeno, sviluppando composti detti prodotti di combustione quali gas combustibili, gas non combustibili, particelle solide (fuliggine) e residui carboniosi (char) (¹³).

Sono necessarie alcune precisazioni:

 possono bruciare solo materiali in fase gas: per solidi o liquidi è necessario un preventivo passaggio in fase vapore;

 una miscela gassosa può bruciare solo se la concentrazione di gas combustibile è compresa nel cosiddetto intervallo di infiammabilità. Al di fuori di tale intervallo la combustione non si può mantenere, o per difetto di combustibile (sotto il limite inferiore di infiammabilità) o per difetto di comburente (sopra il limite superiore);

 esistono due temperature significative ai fini della combustione: la prima prende il nome di flash point e corrisponde alla temperatura minima in cui un solido sviluppa una quantità di gas tale da formare una miscela infiammabile con l’aria; in presenza di innesco tale miscela dà luogo alla combustione. La seconda si definisce temperatura di autoaccensione o ignizione o autoignizione ed è quella oltre la quale la combustione si avvia anche senza innesco.

Quanto detto può essere riassunto nel diagramma di Figura 3.1; da notare che al crescere della temperatura si allarga l’intervallo di infiammabilità.

Comportamento al fuoco 23

Figura 3.1 Limiti per la combustione di materiali polimerici termoindurenti(¹⁵).

Si desidera inoltre ricordare che nel caso dei poliuretani rigidi espansi il polimero si decompone prima di fondere essendo termoindurente: questa decomposizione può essere un processo esotermico tale da innalzare la temperatura al di sopra del flash point e sviluppare una quantità di gas combustibili sufficiente a raggiungere il limite inferiore di infiammabilità(¹⁴). Considerando inoltre che esso è un processo irreversibile, si intuisce come la temperatura di decomposizione iniziale rappresenti spesso la temperatura massima ammessa.

3.1.2 Incendio(

)

Si definisce incendio una qualsiasi combustione che sfugge al controllo dell’uomo. Esso è un fenomeno complesso e quindi difficilmente schematizzabile. Tuttavia la dinamica dell'incendio si può descrivere in quattro fasi caratteristiche:

 ignizione;

 propagazione;

 incendio generalizzato;

 declino.

Nella fase di ignizione una sorgente termica riscalda il combustibile in presenza del comburente. La temperatura del materiale cresce innescandone la degradazione termica con conseguente rilascio di sostanze gassose infiammabili (pirolisi). Come descritto nel paragrafo §3.1.1, in presenza di innesco e all'interno dei limiti di infiammabilità (o anche in assenza d'innesco quando raggiunta la temperatura di ignizione) s'innesca la combustione. In tempi brevi la fiamma prodotta libera calore ed esalta il fenomeno, autoalimentandosi. E' la fase di propagazione nella quale la temperatura cresce molto rapidamente, come si vede da Figura 3.2.

Figura 3.2 Curva ideale di progressione di un incendio(¹³).

Nelle due fasi iniziali dell'incendio le fiamme sono localizzate e le temperature sono contenute; picchi si riscontrano in prossimità delle fiamme. Risulta quindi possibile intervenire per limitare i danni con pochi rischi e buone probabilità di successo. Nella terza fase, detta incendio generalizzato o flash over ha inizio lo stadio di massimo rilascio del calore (circa a 600°C). Tutti gli oggetti in un ambiente chiuso sono coinvolti dalla combustione, avendo tutti raggiunto la temperatura di ignizione. La miscela di gas infiammabili infatti causa la rapida propagazione delle fiamme che a loro volta portano alla decomposizione del materiale solido e quindi alimentano ulteriormente l’incendio. In questa fase si registrano le temperature più alte, circa 1000°C. Con l’esaurirsi del combustibile o del comburente, o in seguito ad operazioni di contrasto, la temperatura inizia a scendere, fino a che l’incendio si estingue (indicativamente sotto i 200°C): è la fase conclusiva, quella di declino o estinzione.