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2.4.4 Entzündbarkeit – Scheuermann
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Scheuermann
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Scheuermann
Abschnitt: 2 Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes → 2.4 Brand- und Löschlehre
 

2.4.4 Entzündbarkeit

In einem so komplexen System, wie es sich beim Vorgang des Entzündens und Brennens darstellt, ist es fast unmöglich, alle Einflüsse zu erfassen. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über Parameter für die Entzündbarkeit.

Tab. 1: Parameter für die Entzündbarkeit

Parameter

Beispiele

Art des Stoffes

  • chemische Zusammensetzung

  • Reinheit

Eigenschaften des Stoffes

  • Zündtemperatur

  • Explosionsgrenzen Flammpunkt

  • Fähigkeit, bei Erwärmung Gase oder Dämpfe freizusetzen

  • Verbrennungswärme

  • Abbrandrate

Zustand des Stoffes

  • Aggregatzustand

  • spezifische Oberfläche

  • Feuchtigkeit

  • Temperatur

  • Druck

Zufuhr von Sauerstoff

Sauerstoffkonzentration und Durchmischung der Reaktionspartner

Art und Einwirkungsdauer der Zündquelle und Wirkung von Katalysatoren

 

Aufgrund der vielen Abhängigkeiten, die sich beim Vorgang des Entzündens ergeben, sind daher über die Entzündbarkeit der Stoffe in der Regel nur vergleichende Aussagen möglich. Im Folgenden sollen einige dieser Abhängigkeiten näher erläutert werden.

Die chemische Zusammensetzung eines Stoffes ist natürlich von ausschlaggebender Bedeutung nicht nur bei der Beurteilung der Brennbarkeit, sondern auch der Entzündbarkeit eines Stoffes. So werden z.B. die Stoffe Holz, Methan und Benzin aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung ohne Schwierigkeiten als brennbar und entzündbar angesehen, während die Stoffe Quarz (SiO2), Wasser und die Edelgase als nicht brennbar und nicht entzündbar angesehen werden, da bei diesen eine Reaktion mit dem Sauerstoff auszuschließen ist.

Eine eindeutige Beurteilung der Stoffe Holz und Benzin macht aber bereits Schwierigkeiten. Aufgrund der unterschiedlichen Holzarten, wie z.B. Fichte und Eiche, oder den verschiedenen Benzinarten als Gemische der Kohlenwasserstoffe Pentan (C5H12), Hexan (C6H14), Heptan (C7H16), Oktan (C8H18), Nonan (C9H20) und Dekan (C10H22) sind bei diesen Stoffen

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unterschiedliche Entzündbarkeiten zu verzeichnen. Selbst bei brennbaren Stoffen bestimmter chemischer Zusammensetzung können aufgrund verschiedener Modifikationen, wie z.B. beim Phosphor, Unterschiede in der Entzündbarkeit festgestellt werden. Die Zündtemperatur beträgt beim weißen Phosphor 30-60 C und beim roten Phosphor etwa 400 C, während der schwarze Phosphor nicht entzündbar ist.

Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der brennbare Stoffe mit Sauerstoff in Form von Flamme oder Glut reagieren. Diese Temperaturangabe ist von verschiedenen optimalen Zustandsbedingungen, unter denen die Reaktion des brennbaren Sauerstoffes abläuft, abhängig. Die Schwierigkeiten einer eindeutigen Definition der Zündtemperatur, bei der alle Abhängigkeiten berücksichtigt werden, lassen sich schon daran erkennen, dass es bis heute kein allgemein gültiges Normverfahren für die Bestimmung der Zündtemperatur kompakter, fester Stoffe gibt. Bei diesem Verfahren müsste z.B. auch die Einwirkdauer der Temperatur berücksichtigt werden, die für das Entzünden erforderlich ist. Der Einfluss der Zeit ist beim Vorgang des Entzündens von erheblicher Bedeutung. So kann die Einwirkung einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur über einen langen Zeitraum evtl. einen brennbaren Stoff entzünden, während bei einer höheren Temperatur aufgrund ihrer zu kurzen Einwirkungsdauer das Brennen nicht eingeleitet wird. Bei lang einwirkender Erwärmung auf einen Stoff kann die Zündtemperatur um erhebliche Grade absinken.

2.4.4.1 Obere und untere Explosionsgrenze

Die obere und die untere Explosionsgrenze geben den Konzentrationsbereich des brennbaren Stoffes im Gemisch von Gasen, Dämpfen, Nebeln und/oder Stäuben an, in dem sich nach dem Entzünden ein Brennen selbstständig fortpflanzen kann.

  • Der obere Explosionspunkt ist die höchste Temperatur, bei der die Konzentration des gesättigten Dampf-Luft-Gemisches die obere Explosionsgrenze erreicht.

  • Der untere Explosionspunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der die Konzentration des gesättigten Dampf-Luft-Gemisches die untere Explosionsgrenze erreicht.

Es kommt auf das richtige Mengenverhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und dem Reaktionspartner Sauerstoff an. Stoffe, die in fast jedem Mengenverhältnis mit dem Luftsauerstoff entzündet werden können, sind gefährlicher als solche, die nur einen sehr engen Explosionsbereich haben.

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2.4.4.2 Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit

Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf-Luft-Gemisch entsteht. Brennbare Flüssigkeiten mit einem niedrigen Flammpunkt lassen sich also in der Regel leichter entzünden als solche mit einem hohen Flammpunkt. Bei den Flüssigkeiten mit einem niedrigen Flammpunkt reicht oft die normale Umgebungstemperatur zur Bildung eines entzündbaren Dampf-Luft-Gemisches. Bei den Flüssigkeiten mit einem hohen Flammpunkt muss dagegen ein meist beträchtlicher Energieanteil der Zündquelle, die das Brennen einleiten soll, erst zur Entwicklung der entzündbaren Dämpfe aufgewendet werden.

Die Entzündbarkeit brennbarer Stoffe ist auch von deren jeweiligem Aggregatzustand abhängig. Die Reaktionsfähigkeit und damit die Entzündbarkeit nehmen vom gasförmigen über den flüssigen bis zum festen Aggregatzustand ab. So werden während eines Brandes Flüssigkeiten durch die Wärmezufuhr zunächst verdampft. Erst im gasförmigen Zustand erfolgt die exotherme Oxidationsreaktion, die wiederum weitere Wärme für die Verdampfung neuer Flüssigkeitsteilchen liefert. Lassen sich Stoffe nicht verdampfen, erfolgt eine Zersetzung in andere gasförmige Substanzen. Bei einigen Festkörpern kann dann aber auch eine Oxidation an bzw. in der Nähe der Festkörperoberflächen erfolgen.

Je mehr die Feststoffe bzw. die Flüssigkeiten verkleinert werden, umso mehr nimmt die Reaktionsfähigkeit und damit die Entzündbarkeit zu:

  • Ein fester Block Magnesium ist beispielsweise mit einer kleinen Flamme, z.B. einem Streichholz, kaum zu entzünden.

  • Liegt das gleiche Metall jedoch als Draht oder Band vor, so gelingt das Entzünden relativ rasch.

  • In Pulverform verbrennt Magnesium in aufgewirbeltem Zustand sogar explosionsartig.

Die Zunahme der Entzündbarkeit beruht hier also auf einer Vergrößerung der Oberfläche des brennbaren Stoffes. Dadurch lässt sich ein höherer Mischungsgrad mit dem Oxidationsmittel erreichen. Die Reaktionsfähigkeit eines Stoffes ist demnach auch unmittelbar abhängig von seiner spezifischen Oberfläche. Darunter versteht man das Verhältnis von der Oberfläche des Stoffes zur Masse des Stoffes. Durch eine Zerkleinerung des Stoffes lässt sich die Oberfläche dieses Stoffes vergrößern.

Beispiel:

Ein Würfel von 1 m Kantenlänge besitzt eine Oberfläche von 6 m2. Wird der Würfel in kleine Würfel von 0,1 mm Kantenlänge zerteilt, so erhält man 1 Billion Würfel mit einer Oberfläche von 60.000 m2.

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Wichtig ist aber auch, ob die Oberfläche eines Stoffes glatter oder rauer ist. Ein glatt gehobeltes Holzbrett wird sich hinsichtlich seiner Entzündbarkeit anders verhalten als ein unbearbeitetes.

Ein Stoff wird sich je nach seinem Feuchtigkeitsgehalt hinsichtlich der Entzündbarkeit unterschiedlich verhalten. Um einen feuchten Stoff auf seine Zündtemperatur zu erwärmen, muss ein großer Teil der Wärmeenergie erst zum Verdampfen des Wassers aufgewendet werden.

Einen sehr starken Einfluss auf die Entzündbarkeit haben

  • die Temperatur des brennbaren Stoffes und

  • die Temperatur der am Brennen beteiligten Luft.

So lässt sich die Zündtemperatur eines brennbaren Stoffes unter verschiedenen Wetterbedingungen unterschiedlich rasch erreichen.

Beispiel:

Holz hätte z.B. eine Zündtemperatur von 300 C. Diese Zündtemperatur lässt sich im Sommer bei +30 C mit einem geringeren Energieaufwand erreichen als im Winter bei -30 C.

2.4.4.3 Gefährlichkeit brennbarer gasförmiger Stoffe

Die Sauerstoffkonzentration und die Durchmischung der Reaktionspartner sind für die Oxidationsgeschwindigkeit und damit für das Brennen von ausschlaggebender Bedeutung. Reiner Sauerstoff führt zu höheren Oxidationsgeschwindigkeiten, als dies beim Sauerstoffgehalt der Luft oder bei noch geringeren Sauerstoffkonzentrationen möglich ist. Der kompakte Feststoff kann aber selbst bei reinem Sauerstoff nur an den Grenzflächen des festen Stoffes reagieren. Beim Brennen von festen Stoffen ist eine optimale Durchmischung der Reaktionspartner nur in einem aufgewirbelten Staub-Luft-Gemisch möglich. Beim Brennen von brennbaren Flüssigkeiten ist eine optimale Durchmischung der Reaktionspartner nur in einem Aerosol-Luft-Gemisch möglich. Brennbare gasförmige Stoffe erlauben dagegen meistens eine optimale Durchmischung des brennbaren Stoffes mit dem meist ebenfalls gasförmigen Oxidationsmittel (Luftsauerstoff). Hieraus resultiert auch die Gefährlichkeit brennbarer gasförmiger Stoffe.

Um einen Stoff zu entzünden, ist es erforderlich, von einer langsamen Oxidation zu einer schnellen Oxidation zu gelangen. Dafür wird eine bestimmte Zündenergie benötigt. Diese muss den brennbaren Stoffgemischen von außen durch eine Zündquelle zugeführt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von der so genannten Fremdzündung. Nur in ganz seltenen Fällen erfolgt eine so genannte Selbstentzündung, z.B. infolge einer Oxidation oder einer Zerfallsreaktion. Je nach Art der Zündquelle, die zum Entzünden brennbarer Stoffe erforderlich ist, lassen sich graduelle Unterschiede hinsichtlich der Entzündbarkeit feststellen (s. Tabelle 2).

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Tab. 2: Unterschiede in der Entzündbarkeit brennender Stoffe nach Art der Zündquelle

Zündenergie

Vergleichszündquelle

Beispiele brennbarer Stoffe

Entzündbarkeit

ohne Zündquelle

weißer Phosphor

Zunahme

glimmende Zigarette

  • Acetylen

  • Schwefelkohlenstoff

  • Zellhorn

Streichholz

  • Papier

  • Holz

  • Benzin

  • Stadtgas

Zunahme

Lötlampe

Koks

Das Problem der Anordnung der Zündquelle im Brandsystem soll am Beispiel des Streichholzes, welches oft zur groben Beurteilung der Entzündbarkeit der brennbaren Stoffe herangezogen wird, erläutert werden. Die Kuppe des Streichholzes ist für das Streichholz selbst als Zündquelle anzusehen. Nun ist die Abbrandgeschwindigkeit von Streichhölzern sehr stark davon abhängig, ob die Zündquelle, also die Streichholzkuppe, nach dem Entzünden nach oben, nach unten oder in eine dazwischenliegende Richtung gehalten wird. Das Streichholz wird, wenn es mit der Kuppe nach unten gehalten wird, am schnellsten abbrennen. Die verfügbare Zündenergie wird in diesem Fall in kürzester Zeit und mit geringsten Energieverlusten dem brennbaren Stoff zugeführt. Für die Entzündbarkeit und das Abbrandverhalten eines brennbaren Stoffes sind also die Art, die Lage und die Einwirkungsdauer der Zündquelle wichtig.

2.4.4.4 Brandtemperatur

Wie bereits dargelegt, hängt die Gefährlichkeit eines brennbaren Stoffes im Wesentlichen ab von

  • der Entzündbarkeit und

  • der Brandtemperatur.

Die Brandtemperatur ist abhängig von

  • der Verbrennungswärme,

  • der Abbrandrate und

  • den Wärmeverlusten, also den Bedingungen des Wärmeübergangs vom Brandherd zur Umgebung.

    2.4.4 Entzündbarkeit – Seite 6 – 01.04.2010 << >>

Die Verbrennungswärme ist die Wärme, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes frei wird. Sie wird auf die Masse des brennbaren Stoffes bezogen und auch als Brennwert oder Heizwert bezeichnet (s. Tabelle 3).

Tab. 3: Beispiele für Verbrennungswärme einiger Stoffe

brennbarer Stoff

Verbrennungswärme

 

kWh/kg

kWh/m3

feste Stoffe:

 

Holz

4,8

 

Braunkohle

5,8

Steinkohle

8,4

Magnesium

7,2

Phosphor

7,2

flüssige Stoffe:

 

Dieselöl

12,2

 

Benzin

12,0

 

Spiritus

7,8

 

gasförmige Stoffe:

 

Acetylen

14,0

16,3

Butan

13,1

35,0

Propan

13,3

26,8

Wasserstoff

34,3

3,1

Die Verbrennungswärme wird beim vollständigen Verbrennen des Stoffes frei. Da beim Brennen der Stoffe aber ganz verschiedene Abbrandraten vorhanden sind, werden in verschiedenen Zeitspannen auch unterschiedliche Wärmemengen frei. Es ergeben sich also entsprechend höhere oder niedrigere Brandtemperaturen. Die Abbrandrate selbst ist die in einer bestimmten Zeitspanne verbrennende Masse eines brennbaren Stoffes. Sie ist damit im Grunde nichts anderes als die in einer ganz bestimmten Maßeinheit angegebene Oxidationsgeschwindigkeit eines brennbaren Stoffes. Unterschiedliche Abbrandraten führen also dazu, dass sich in vergleichbaren Zeitspannen entsprechend höhere oder niedrigere Brandtemperaturen ergeben (s. Tabelle 4).

2.4.4 Entzündbarkeit – Seite 7 – 01.04.2010 << >>

Tab. 4: Unterschiedliche Brandtemperaturen aufgrund unterschiedlicher Abbrandraten

Stoffe

Brandtemperatur in C

Holz, Kohlen

1.100-1.300

Stadtgas

1.500

Koks

1.600

Acetylen/Sauerstoff

3.100

Phosphor

800

Magnesium

3.100

Streichholz

800

Tabak (Zigarette)

600-900 (beim Zug)

Welchen Einfluss die unterschiedlichen Oxidationsgeschwindigkeiten bzw. Abbrandraten alleine aus der mehr oder weniger großen Reaktionsfähigkeit des brennbaren Stoffes auf ihre Brandtemperatur haben, kann an dem Beispiel des Phosphors und des Magnesiums deutlich gemacht werden:

Phosphor und Magnesium haben die gleiche Verbrennungswärme, nämlich 7,2 kWh/kg. Da das Magnesium aber erheblich reaktionsfreudiger ist als der Phosphor, ist die Brandtemperatur des Magnesiums höher.

Tab. 5: Vergleich der Brandtemperaturen

brennbarer Stoff

Verbrennungswärme
in kWh/kg

Brandtemperatur
in C

Magnesium

7,2

3.100

Phosphor

7,2

800

Hieraus wird klar, dass bei gleich großen Massen das Magnesium schneller verbrannt ist als der Phosphor.

Die in Tabelle 4 angegebenen Brandtemperaturen sind natürlich von einer bestimmten Mindestmenge des brennbaren Stoffes abhängig. Dies lässt sich besonders gut am Beispiel des Streichholzes erklären:

Bei der geringen Menge verbrennenden Stoffes sind die unvermeidlichen Wärmeverluste an die Umgebung im Vergleich zu einem brennenden Holzstapel aufgrund der geometrischen Verhältnisse unverhältnismäßig groß. Die Brandtemperatur des Streichholzes liegt daher erheblich unter den erreichbaren Höchstwerten dieses Stoffes, also des Holzes. Die Abhängigkeit der Brandtemperatur von den Wärmeverlusten ist nur sehr schwer zu erfassen. Der Wärmeübergang vom Brandherd auf die Umgebung ist

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nämlich ein sehr komplizierter Mechanismus, der von jeder örtlichen Schwankung stark beeinflusst wird.

2.4.4.5 Brennbarkeit

In den vorangegangenen Abschnitten ist schon ausführlich erläutert worden, dass sich brennbare Stoffe je nach ihrer Art und den auf sie einwirkenden Zustandsbedingungen sehr verschieden verhalten. Wichtig ist insbesondere für das Brennen, dass ein Massenelement des brennbaren Stoffes weniger Zündenergie benötigt, als es beim anschließenden Brennen Verbrennungswärme erzeugt. Diese Verbrennungswärme wird wiederum dazu benötigt, ein Nachbarelement des Stoffes zu zünden. Dieser Vorgang läuft umso schneller ab, je größer das Verhältnis Verbrennungswärme zur Zündenergie ist. Hierin könnte ein Maß für die Brennbarkeit gesehen werden. Es bleibt also festzustellen:

Beim Brennen eines Stoffes muss die Zündenergie eines Massenelementes dieses Stoffes geringer sein als die beim anschließenden Brennen erzeugte Verbrennungswärme.

Man kann sich dies etwa wie in der Volkswirtschaft vorstellen, wo das Verhältnis von Ertrag zu Aufwand das alles Entscheidende ist. Die Verbrennungswärme entspricht dem Ertrag, die Zündtemperatur dem Aufwand. Ein volkswirtschaftlicher Prozess würde sofort stillgelegt werden, wenn der Ertrag nicht wesentlich größer ist als der Aufwand.

Ähnlich ist es beim Verbrennungsprozess. Hier muss die Verbrennungswärme, der Ertrag, größer sein als die Zündenergie, der Aufwand. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass ja auch Wärmeverluste auftreten. Diese Wärmeverluste, die von der Verbrennungswärme mit abgedeckt werden müssen, können bis zum 50-Fachen der Zündenergie betragen. Für die Beurteilung eines brennbaren Stoffes ist also Folgendes wichtig:

  • Die Entzündbarkeit hängt insbesondere von der erforderlichen Zündenergie ab.

  • Die Brennbarkeit hängt insbesondere von der Verbrennungswärme des Stoffes ab bzw. von der Fähigkeit des Stoffes, diese Verbrennungswärme in einer entsprechenden Zeit freizusetzen.

Ein Stoff kann also als brennbar angesehen werden, wenn er nach seiner Entzündung ohne zusätzliche Wärmezufuhr weiterbrennt. Von besonderer Bedeutung ist es aber in der Praxis, dass es neben leicht brennbaren und nicht brennbaren Stoffen noch eine Gruppe von Stoffen gibt, die als schwer brennbar anzusehen sind. Zu diesen Stoffen rechnen

  • Wolle,

  • Federn,

  • eine Reihe von Kunststoffen,

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  • Stoffe, die mit besonderen Flammschutzmitteln behandelt worden sind,

  • Stoffe, die mit reaktionshemmenden Zusätzen (Kampfer) hergestellt worden sind, wie manche Zelluloiderzeugnisse, Sicherheitsfilme und Weiteres.

Schwer brennbare Stoffe brennen nach ihrer Entzündung nur bei weiterer Wärmezufuhr aus der Zündquelle weiter. Bei ihnen reicht die entstehende Verbrennungswärme allein zur Unterhaltung der Verbrennung nicht aus. Hört also die Wärmezufuhr auf, so wird die Verbrennung unterbrochen. Abschließend muss nochmals darauf hingewiesen werden, dass bei der Beurteilung der Brennbarkeit und der Entzündbarkeit die vielen Abhängigkeiten, die bereits im vorstehenden Abschnitt angeführt worden sind, nicht außer Acht gelassen werden dürfen.

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