التحليل المقارن لإنتاج الدخان في المواد البلاستيكية المعدلة باستخدام المسعر المخروطي TCC 918

مقدمة

يُستخدم البولي فينيل كلوريد متعدد الفينيل (PVC) في العديد من التطبيقات التي تنطبق عليها متطلبات السلامة من الحرائق، مثل الكابلات الكهربائية ومنتجات البناء والمكونات البلاستيكية الهندسية. ونظراً لمحتواه العالي من الكلور، يُظهر البولي فينيل كلوريد الفينيل مثبطات لهب جوهرية جيدة نسبياً إلى جانب تكوين مخلفات مميزة أثناء التحلل الحراري مقارنةً بالعديد من اللدائن الحرارية الأخرى.

ومع ذلك، يشكل توليد الدخان تحديًا خاصًا للسلامة في حالة نشوب حريق. يمكن أن يؤدي الدخان الكثيف إلى إعاقة الرؤية بشكل كبير وتعقيد جهود الإخلاء.

علاوةً على ذلك، يمكن أن تشكل نواتج التحلل الغازية والجسيمية الموجودة في الدخان مخاطر صحية على الأشخاص وموظفي الطوارئ.

ولتقليل إنتاج الدخان على وجه التحديد، غالبًا ما يتم تعديل تركيبة المواد البلاستيكية البلاستيكية بعناية.

يُعد قياس السعرات الحرارية المخروطية وفقًا للمواصفة ISO 5660-1 إحدى الطرق المعمول بها للتقييم الكمي لسلوك المواد في حالة الحرائق. تعتبر واحدة من أكثر الطرق المختبرية جدوى للتحليل التجريبي لعمليات الحرائق، فهي توفر معايير قابلة للتكرار لسلوك الاشتعال وإطلاق الحرارة وتوليد الدخان وفقدان الكتلة في ظل ظروف تدفق حراري محددة.

تقدم هذه المذكرة التطبيقية نتائج الاختبار لأربع مواد قائمة على PVC. تُستخدم عينة واحدة كمرجع، بينما تمثل المتغيرات A وB وC تركيبات معدلة مصممة لتقليل توليد الدخان. تهدف الدراسة إلى مقارنة سلوك الحريق والدخان لهذه المواد في ظل ظروف اختبار متطابقة باستخدام القياس الحراري المخروطي.

شروط القياس

أُجريت الاختبارات باستخدام المسعر المخروطي NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter (انظر الشكل 1) وفقًا للمعيار ISO 5660-1. هذا جهاز اختبار راسخ لإجراء تحليلات تجريبية لسلوك الحريق في ظل ظروف تدفق حرارة محددة.

وُضعت العينات بشكل أفقي وخضعت لكثافة تدفق حراري ثابت قدره 50 كيلو وات/م². أثناء القياس، تم تسجيل معدل إطلاق الحرارة (HRR^)1، وفقدان الكتلة والبارامترات التي تصف توليد الدخان، وخاصة معدل إنتاج الدخان (SPR) وإجمالي إطلاق الدخان (TSR) بشكل مستمر.

تم تلخيص معلمات الاختبار الرئيسية في الجدول 1.

^1معدلإطلاق الحرارة هو مقياس لشدة الحريق ومعدل إطلاق الحرارة (كيلوواط/م²).

الجدول 1: شروط القياس

يوضح الشكل 2 العينات في حامل العينات قبل القياس.

سلوك الاشتعال وإطلاق الحرارة

اشتعلت جميع المواد المختبرة خلال نطاق زمني يتراوح بين 16 إلى 20 ثانية تقريبًا. يعتبر سلوك الاشتعال هذا نموذجيًا لأنظمة PVC المعرضة لكثافة تدفق حراري خارجي تبلغ 50 كيلو وات/م².

بشكل عام، تظل معدلات إطلاق الحرارة عند مستوى معتدل (الشكل 3). تتضح الاختلافات الرئيسية في الحد الأقصى لمعدل إطلاق الحرارة (_HRRmax). تُظهر المادة المرجعية أعلى معدل لإطلاق الحرارة القصوى (_HRRmax)، في حين أن المتغير A لديه أدنى معدل.

بشكل عام، ومع ذلك، فإن الاختلافات محدودة، مما يعني أنه يمكن اعتبار سلوك الاحتراق الأساسي لأنظمة PVC التي تم فحصها قابلة للمقارنة. يشير هذا إلى أن تعديلات المواد تؤثر في المقام الأول على سلوك الدخان، بينما تظل عمليات الاحتراق الأساسية دون تغيير إلى حد كبير.

إنتاج الدخان كعامل رئيسي للتمييز بين المواد المختبرة

يوضح الشكل 4 أن الاختلافات الأكثر وضوحًا بين المواد التي تم اختبارها واضحة في إنتاج الدخان.

تُظهر المادة المرجعية (المنحنى الأسود) أعلى انبعاث إجمالي للدخان (^TSR2)، بينما يُظهر المتغير (المنحنى الأخضر)، على وجه الخصوص، انبعاث دخان أقل بكثير. بالمقارنة مع المادة المرجعية، ينخفض إجمالي انبعاث الدخان بنسبة تصل إلى 43% تقريبًا.

يمكن أن يؤدي انخفاض انبعاث الدخان إلى تحسين الرؤية في حالة نشوب حريق، مما يسهل جهود الإخلاء والاستجابة للطوارئ. في سيناريوهات الحرائق في العالم الحقيقي، يمكن أن يساعد انخفاض انبعاث الدخان في الحفاظ على ظروف الرؤية الحرجة لفترة أطول، وبالتالي زيادة وقت الإخلاء المتاح.

بالإضافة إلى إجمالي انبعاث الدخان، يشير معدل إنتاج الدخان (SPR) إلى مدى سرعة انبعاث الدخان أثناء نشوب الحريق. هذه المعلمة ذات صلة بالسلامة لأنها تؤثر على مدى سرعة ظهور ظروف الرؤية الحرجة في حالة نشوب حريق.

على الرغم من أوقات الاشتعال المتشابهة ومعدلات إطلاق الحرارة المتشابهة، تختلف المواد بشكل كبير في سلوكها الدخاني. توضح النتائج أن التعديلات المستهدفة للمواد يمكن أن تقلل بشكل كبير من إطلاق الدخان دون تغيير كبير في سلوك الاحتراق الأساسي لأنظمة PVC.

يشير^2TSR(إطلاق الدخان الكلي) إلى الكمية التراكمية للدخان الناتج أثناء الاحتراق، ويتم اشتقاقه من قياسات نفاذية ضوء الليزر، ويتم تقييمه بناءً على توهين الضوء وفقًا لقانون بوغر-لامبرت.

فقدان الكتلة

يصف الفقد النسبي للكتلة التدهور الحراري للمواد أثناء التعرض للحريق ويتيح استخلاص استنتاجات حول سلوك تحللها.

تُظهر المادة المرجعية أعلى فقدان نسبي للكتلة بنسبة 23.95%. في المقابل، تُظهر المتغيرات من (أ) إلى (ج) قيمًا متشابهة جدًا تبلغ 16.45% تقريبًا (الشكل 5).

تتشابه المنحنيات المعتمدة على الوقت لمنحنيات فقدان الكتلة بشكل عام، مما يشير إلى أن المواد تخضع للتحلل الحراري بطريقة مماثلة. ومع ذلك، يشير الفقد الكتلي الأقل للمتغيرات المعدلة إلى زيادة تكوين المخلفات أثناء الاحتراق.

يمكن أن يقلل التكوين المتزايد للمخلفات من كمية نواتج الانحلال الحراري المتطايرة وبالتالي يؤثر على توليد الدخان. يعتبر تكوين المخلفات الواضحة سمة مميزة لأنظمة الـ PVC وغالبًا ما ترتبط بالمكونات غير العضوية، وكذلك عمليات التفحيم أثناء التعرض للحريق.

حالة العينات بعد القياس

عند الانتهاء من القياسات، أظهرت العينات اختلافات واضحة في بنية المخلفات المتبقية وثباتها (انظر الشكل 6). في حين أظهرت جميع المواد تفحمًا مميزًا، إلا أن مدى وبنية سطح البقايا اختلفت بين المادة المرجعية والمتغيرات المعدلة.

تعكس هذه الاختلافات الاختلافات الملحوظة سابقًا في تحلل المواد وانبعاث الدخان. والجدير بالذكر أن المتغيرات المعدلة تظهر في بعض الأحيان هياكل بقايا أكثر إحكامًا، مما قد يشير إلى تحلل حراري متغير وتثبيت أكبر للمادة المتبقية أثناء التعرض للحريق. تتوافق هذه الملاحظات مع الاختلافات التي نوقشت سابقًا في فقدان الكتلة وانبعاث الدخان.

الملخص

كشف القياس الحراري المخروطي عن وجود اختلافات كبيرة في سلوك الدخان للمواد البلاستيكية المخروطية التي تم فحصها، في حين ظل سلوك الاشتعال ومعدلات إطلاق الحرارة متشابهين إلى حد كبير في ظل ظروف اختبار متطابقة. اشتعلت جميع المواد في نطاق زمني يتراوح بين 16 إلى 20 ثانية تقريبًا وأظهرت معدلات إطلاق حرارة معتدلة.

لوحظ الاختلاف الأكثر أهمية بين المواد المختبرة في تطور الدخان. على وجه الخصوص، أظهر المتغير B انخفاضًا كبيرًا في إطلاق الدخان الكلي حيث حقق انخفاضًا يصل إلى 43% مقارنة بالمادة المرجعية. يمكن أن يؤدي انخفاض انبعاث الدخان إلى تحسين الرؤية في حالة نشوب حريق، مما يسهل إجراءات الإخلاء وعمل موظفي الطوارئ.

أظهرت المتغيرات المعدلة أيضًا قيم فقدان كتلة أقل من المادة المرجعية. يشير هذا إلى زيادة تكوين المخلفات أثناء الاحتراق، وهو ما قد يرتبط بانخفاض إطلاق نواتج التحلل المتطايرة، وبالتالي انخفاض توليد الدخان.

توضح هذه النتائج أن التعديلات المستهدفة على تركيبة المادة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على سلوك الحريق والدخان لأنظمة PVC. يتيح قياس السعرات الحرارية المخروطية التوصيف الكمي القابل للتكرار لمعايير الحريق الرئيسية في ظل ظروف اختبار محددة.

NETZSCH وبالتالي، يوفر المسعر المخروطي المخروطي TCC 918 طريقة قوية للتقييم المقارن لتركيبات المواد المختلفة ويدعم عمليات التطوير التي تهدف إلى تحسين سلوك مواد البوليمر في مقاومة الحريق والدخان.