مقدمة
يعد تحليل سلوك المواد في حالة الحريق جزءًا أساسيًا من هندسة السلامة. جهاز TCC 918 المسعر المخروطي (الشكل 1) هو جهاز اختبار راسخ يستخدم لتحديد البارامترات الرئيسية مثل معدل إطلاق الحرارة (HRR) وفقدان الكتلة وانبعاثات الدخان. يمكن أن يؤثر التركيب الكيميائي للمادة، بالإضافة إلى المعلمات الفيزيائية مثل هندسة العينة وسلوك الحريق، على نتائج القياس.
وفقًا للمواصفة القياسية ISO 5660-1، فإن الأبعاد القياسية لعينات الاختبار هي 100 مم × 100 مم، بسُمك يتراوح بين 6 مم و50 مم. يهدف هذا البحث إلى تحليل تأثير سُمك العينة على نتائج القياس.
إعداد الاختبار وشروطه
تم فحص تسع عينات من PMMA بسماكات 7 مم و14 مم و19 مم تقريبًا (ثلاثة قياسات لكل سُمك).
وُضعت العينات على حامل عينات أفقي مثبت على خلية وزن لتمكين التسجيل المستمر لفقدان الكتلة. تم تطبيق الحرارة باستخدام سخان كهربائي مخروطي بكثافة تدفق حراري ثابت قدره 50 كيلو وات/م². وحدث الإشعال عن طريق أجهزة إشعال الشرارة بمجرد إطلاق ما يكفي من غازات الانحلال الحراري. تم تحليل غازات المداخن الناتجة لتحديد معدل التدفق الكتلي ودرجة حرارة غاز المداخن وتركيزات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. تم تحديد كثافة الدخان عن طريق انتقال الضوء. تمت معايرة نظام تحليل الغاز (Siemens Oxymat/Ultramat) قبل سلسلة القياس، وتم التحقق من صحة عامل C¹ باستخدام موقد الميثان. تم تلخيص شروط القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| حامل العينة | أفقي |
| العينات والسماكات | PMMA من 7، 14، 19 مم تقريبًا |
| التدفق الحراري | 50 كيلوواط/م2 |
| معدل التدفق الحراري الاسمي | 24.0 لتر/ثانية |
| المسافة إلى السخان المخروطي | 25 مم |
1عاملC، المحدد في المواصفة القياسية ISO 5660-1، هو ثابت معايرة يستخدم لتحديد معدل إطلاق الحرارة (HRR). وهو يربط الإشارة من محلل الأكسجين بالطاقة الحرارية الفعلية المنطلقة.
نتائج القياس
زمن الاشتعال (TOI) وزمن الاحتراق حتى الاستخراج (TOF)
كما هو متوقع، فإن زمن الاشتعال (TOI) هو نفسه لجميع العينات وهو 22 ثانية. وهذا يشير إلى أن الاشتعال يتأثر في المقام الأول بخصائص السطح وليس بسُمك المادة.
في المقابل، يعتمد وقت الاحتراق حتى الانطفاء الكامل (وقت انطفاء اللهب أو TOF) بوضوح على سُمك العينة. احترقت العينات مقاس 7 ملم لمدة 597 ثانية في المتوسط؛ والعينات مقاس 14 ملم لمدة 857 ثانية في المتوسط؛ والعينات مقاس 19 ملم لمدة 1108 ثانية في المتوسط (انظر الجدول 2). وتجدر الإشارة إلى أنه مع زيادة موحدة في سُمك العينة، لوحظت أيضًا اختلافات زمنية موحدة في التردد الزمني في التردد الزمني. ويسمح ذلك باشتقاق علاقة خطية تقريبًا بين التردد الزمني لأطول فترة زمنية وسُمك العينة، مما يتيح استيفاء بسيطًا لمزيد من السُمك.
الجدول 2: متوسط أزمنة الاشتعال والاحتراق حتى الانقراض
| سُمك العينة | وقت الاشتعال | التضمين التلقائي |
|---|---|---|
| 7 مم | 22 s | 597 s |
| 14 مم | 22 s | 857 s |
| 19 مم | 22 s | 1108 s |
إطلاق الحرارة (HRR، THR)
يتمثل الجانب الرئيسي للتحليل في معدل إطلاق الحرارة (HRR)، والذي يُعرّف بأنه كمية الحرارة المنطلقة لكل وحدة زمنية.
يوضح الشكل 2 منحنيات HRR لعينات PMMA بسماكات مختلفة: 7 مم (أزرق) و14 مم (أخضر) و19 مم (أحمر). ويكشف تقييم معدل الموارد البشرية عن اختلافات واضحة بين سمك العينات.
على الرغم من أن الحد الأقصى لمعدل الموارد البشرية قابل للمقارنة لجميع سمك العينات (حوالي 880 كيلو وات/م²)، فإن النقطة التي يحدث عندها تتحول بشكل منهجي إلى وقت متأخر مع زيادة سمك العينة. كان هذا متوقعًا، حيث تتطلب المواد الأكثر سمكًا وقتًا أطول للتسخين الكامل والخضوع للتحلل الحراري. في العينات الأقل سمكًا، يتم إطلاق المكونات المتطايرة في وقت مبكر.
يتوافق إجمالي الحرارة المنبعثة (THR) أثناء الاحتراق مع تكامل معدل الحرارة المنبعثة مع مرور الوقت. يوضح الشكل 3 منحنيات THR. وكما هو متوقع، تزداد قيم THR مع زيادة سُمك العينة.
ويوضح الشكل 4 العلاقة الخطية بين سُمك العينة و(أ) زمن الحد الأقصى لمعدل الحرارة القصوى لمعدل الحرارة القصوى و(ب) إجمالي إطلاق الحرارة. ويؤكد الارتباط أنه، مع الاحتراق الكامل، يتم تحديد THR بشكل أساسي من خلال كمية المواد المستخدمة. تشير العلاقة الخطية بين سُمك العينة وزمن الاحتراق حتى الانقراض الكامل (TOF) و THR إلى أن جميع العينات تم تحويلها بالكامل تقريبًا. يمكن بسهولة تحويل قياسين فرديين بسماكات عينات مختلفة إلى القيم المقابلة لسماكات العينات الأخرى.
إنتاج الدخان (SPR، TSP)
جانب آخر مهم من التحقيق هو تسجيل تطور الدخان. ويتحقق ذلك من خلال قياس انتقال الضوء في تدفق غاز المداخن. يتم توجيه شعاع ليزر عبر أنبوب العادم (انظر الشكل 5). يشير انخفاض انتقال الضوء إلى زيادة كثافة الدخان.
وعلى نحو مماثل لمعدل إنتاج الدخان، لوحظ أن الأمر استغرق فترة زمنية أطول للوصول إلى الحد الأقصى لمعدل إنتاج الدخان (SPR) مع زيادة سمك العينة. وكما يتبين من الشكل 6، تُظهر منحنيات معدل إنتاج الدخان (SPR) أن العينات الأقل سمكًا تطلق بسرعة large كميات من الدخان، في حين أن العينات الأكثر سمكًا تطلق الدخان على مدى فترة زمنية أطول. وهذا يعكس عملية التحلل الحراري المتأخر، حيث تستغرق العينات الأكثر سمكًا وقتًا أطول لتتحلل تمامًا.
يزداد إجمالي إنتاج الدخان (TSP)، الموضح في الشكل 7، مع زيادة سُمك العينة كما هو متوقع.
ويوضح الشكل 8 العلاقة الخطية تقريبًا بين سُمك العينة و TSP. وهذا يؤكد أنه بمجرد تحويل كتلة العينة بالكامل، يتحدد إجمالي ناتج الدخان بشكل أساسي بكمية المادة الموجودة.
الملخص
يؤثر سمك العينة بشكل كبير على بارامترات الحريق في المسعر المخروطي. في حين أن زمن الاشتعال يظل ثابتًا إلى حد كبير، يزداد زمن الاحتراق وTHR وTSP خطيًا تقريبًا مع زيادة سُمك العينة.
تسلط هذه النتائج الضوء على أهمية استخدام سماكات عينات متطابقة دائمًا في اختبارات المواد المقارنة لضمان الحصول على نتائج موثوقة وقابلة للمقارنة. وبفضل الخطية الملحوظة، يمكن أيضًا نقل نتائج القياس المستندة إلى سُمكَيْن فقط إلى سُمك آخر باستخدام الاستيفاء أو الاستقراء البسيط.
نظرًا لأن المواد ذات السماكات المختلفة غالبًا ما تستخدم لنفس التطبيقات في الممارسة العملية، فمن المنطقي إجراء اختبارات في ظل ظروف خاصة بالتطبيق، مثل سماكات المكونات النموذجية أو حالات التركيب الحقيقية، لتحقيق تقييم واقعي للحماية من الحرائق. هذه هي الطريقة الوحيدة لتقييم السلوك الفعلي للحريق بشكل موثوق وإجراء اختيارات جيدة للمواد.