مقدمة
تلعب اختبارات الحريق دورًا حاسمًا في ضمان السلامة الشخصية، والوفاء بالمتطلبات القانونية، وتقليل الأضرار المحتملة في الممتلكات إلى أدنى حد، وذلك من خلال تقييم سلوك المواد والأنظمة في ظروف الحريق. وتُثبت الاختبارات الخاضعة للرقابة قدرة المنتجات على تحمل الحرارة، والحد من انتشار الحريق، وضمان التشغيل الموثوق لأنظمة المباني الحيوية، مثل أجهزة إنذار الحريق وأنظمة إخماده، في حالات الطوارئ.
كما تؤكد اختبارات الحريق الامتثال لمعايير السلامة من الحرائق الوطنية والدولية، والتي تُعد شروطًا أساسية للحصول على تراخيص البناء وشهادات المنتجات. وفي الوقت نفسه، يتم تقييم الأداء الفعلي للمواد وأنظمة الحماية لضمان توفيرها الوقت الكافي للإخلاء الآمن والحد من تأثير الحريق.
طريقة TCC
تم فحص مادة مرجعية قائمة على البوليمر. وفي إطار مشروع تطويري، تم إنتاج عدة متغيرات تتضمن تعديلات مادة مستهدفة، بهدف التحليل المنهجي لتأثيرها على المعلمات الرئيسية لأداء مقاومة الحريق.
وكان التركيز على تحديد مدى تغير المعلمات المتعلقة بالحريق مقارنةً بالمادة المرجعية، وتحديد الارتباطات بين هذه المعلمات.
وقد استُخدمت طريقة قياس الحريق المتكامل ( TCC 918 ) (الشكل 1) في الدراسة التجريبية. تتيح هذه الطريقة تحديد عدة معلمات ذات صلة بالحريق في آن واحد، بما في ذلك:
- الوقت المستغرق حتى الاشتعال (TOI)
- معدل إطلاق الحرارة الأقصى (HHRmax)
- إجمالي انبعاث الدخان (TSR)
- فقدان الكتلة أثناء الاحتراق
وبالتالي، تتيح طريقة قياس السعرات الحرارية بالمخروط تحديد الخصائص الشاملة لسلوك الحريق للمواد القائمة على البوليمرات في ظل ظروف حريق محددة وقابلة للتكرار.
ويستند تحديد معدل إطلاق الحرارة إلى مبدأ استهلاك الأكسجين، حيث تُحسب الحرارة المنبعثة من استهلاك الأكسجين المقاس في غازات الاحتراق.
شروط القياس
أُجريت القياسات باستخدام المسعر الحراري المخروطي من شركة « NETZSCH » TCC 918 وفقًا للمعيار ISO 5660-1. وترد معلمات القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| حامل العينة | أفقي |
| تدفق الحرارة | 50كيلوواط/م² |
| معدل التدفق الحراري الاسمي | 24.0 لتر/ثانية |
| المسافة إلى السخان المخروطي | 25 مم |
وُضعت العينات في وضع أفقي في حامل العينات وخضعت لكثافة تدفق حراري ثابتة قدرها 50 كيلوواط/م². ويتوافق هذا الحمل الحراري مع سيناريو حريق نموذجي، مما يتيح إجراء تقييم واقعي لسلوك الحريق.
وأثناء القياس، تم تسجيل معدل إطلاق الحرارة، وتوليد الدخان، وفقدان الكتلة بشكل مستمر.
وشملت سلسلة الاختبارات المواد التالية:
- المواد القياسية
- المتغيرات التطويرية A و B و C و D
كانت جميع العينات عبارة عن مواد قائمة على البوليمر ذات الخصائص الهندسية التالية:
- المساحة: 100 × 100 مم
- السماكة: 3.3 - 3.9 مم
- الكتلة: 53 - 62 غرام
ورغم أن قاعدة المادة متشابهة في جميع الحالات، فقد تم تعديل المتغيرات بشكل محدد. ويوضح الشكل 2 العينات في حامل العينات قبل القياس.
نتائج القياس
سلوك الاشتعال – التأخير كهدف من أهداف التطوير
تراوحت الأوقات المقاسة حتى الاشتعال (TOI1) بين 69 ثانية و86 ثانية.
وبمدة 86 ثانية، أظهر النوع "أ" أطول وقت للاشتعال، في حين كانت المادة القياسية في النطاق المتوسط بين المواد التي خضعت للاختبار.
تُظهر النتائج أن التعديلات المستهدفة يمكن أن تعزز مقاومة الاشتعال. ويعني وقت الاشتعال الأطول أن المادة تنتقل إلى مرحلة الاحتراق الذاتي في مرحلة لاحقة تحت نفس الحمل الحراري.
1TOI(الوقت حتى الاشتعال): الفترة الزمنية من بداية إطلاق الحرارة حتى اشتعال العينة.
إطلاق الحرارة – المعيار القياسي لا يزال هو المقياس المرجعي
تراوحت معدلات إطلاق الحرارة القصوى (HRRmax2) بين 102 و128كيلوواط/م² (انظر الشكل 3).
أظهرت المادة القياسية أدنى معدل أقصى لإطلاق الحرارة، في حين أظهرت المتغيرات التجريبية من A إلى D قيمHRRmax مماثلة أو أعلى قليلاً.
ولم يُلاحظ أي انخفاض إضافي في معدل إطلاق الحرارة الأقصى مقارنةً بالمادة المرجعية. وبالنسبة لإطلاق الحرارة الأقصى، تظل المادة القياسية بالتالي هي المعيار المرجعي.
وفي حين لم تُلاحظ سوى اختلافات معتدلة من حيث سلوك الاشتعال والإطلاق الأقصى للحرارة، فقد ظهرت اختلافات أكثر وضوحًا بين المواد فيما يتعلق بتوليد الدخان.
2HRRmax: معدل إطلاق الحرارة الأقصى؛ أعلى قيمة تم قياسها لمعدل إطلاق الحرارة (HRR) أثناء الاختبار، ومعلمة تشير إلى أقصى شدة للحريق.
توليد الدخان – تباين واضح
كما هو موضح في الشكل 4، تظهر أكبر الاختلافات بين المواد في إنتاج الدخان.
تُظهر المادة القياسية أدنى معدل إجمالي لإطلاق الدخان (TSR3). أما النوع C فيُظهر أعلى معدل لإنتاج الدخان، في حين تقع الأنواع A وB وD في النطاق المتوسط.
3TSR(إجمالي انبعاث الدخان): الكمية الإجمالية للدخان المنبعث خلال الاختبار؛ معلمة أساسية للتقييم الكمي لإنتاج الدخان طوال مدة الحريق بأكملها.
تُظهر هذه النتائج أن تحسين المعلمات الفردية، مثل وقت الاشتعال، لا يؤدي بالضرورة إلى تقليل انبعاث الدخان. ولذلك، فإن سلوك المواد البوليمرية عند الحريق يمثل مشكلة تحسين متعددة الأبعاد، حيث يمكن أن تؤثر التغييرات في تركيبة المادة بشكل مختلف على سلوك الاشتعال، وانبعاث الحرارة، وتكوّن الدخان.
فقدان الكتلة – آليات التحلل القابلة للمقارنة
تراوح فقدان الكتلة النسبي أثناء القياس بين 14% و21% (انظر الشكل 5). ويتيح التعبير عن النتائج على أنها فقدان كتلة نسبي إجراء مقارنة مباشرة بين ملامح التحلل، على الرغم من الاختلافات الطفيفة في كتلة العينات. ولا توجد سوى اختلافات طفيفة في المسار الزمني لتحلل المواد بين المتغيرات التي تم فحصها. وتشير ملامح المنحنيات المتشابهة إلى أن جميع المواد تخضع للتحلل الحراري والاحتراق بطريقة متشابهة. وتُظهر المادة القياسية فقدانًا للكتلة أقل قليلاً في بداية الاحتراق، وتتقارب المنحنيات مع استمرار العملية.
وصف العينة بعد القياس
عند الانتهاء من القياسات، لوحظ تكوّن بقايا ملحوظة لجميع المواد (الشكل 6). وترتبط الاختلافات في بنية البقايا وسلامتها وخصائص سطحها بالتباينات التي لوحظت في منحنى الاحتراق.
ملخص
تتيح طريقة قياس السعرات الحرارية المخروطية باستخدام جهاز قياس السعرات الحرارية المخروطية ( NETZSCH ) TCC 918 القياس المتزامن لمعدل إطلاق الحرارة، وإنتاج الدخان، وفقدان الكتلة، مما يوفر أساسًا تجريبيًّا شاملاً لتقييم المواد البوليمرية وتحسينها من حيث سلوكها تجاه الحريق.
ويكشف فحص المتغيرات المختلفة لمادة مرجعية قائمة على البوليمر عن اختلافات كبيرة في المعلمات الفردية المتعلقة بالحريق.
من بين المواد التي تم اختبارها، حقق المتغير A أطول وقت اشتعال عند 86 ثانية، مما يدل على أعلى مقاومة للاشتعال.
ومع ذلك، تظل المادة القياسية هي المعيار المرجعي فيما يتعلق بمعدل إطلاق الحرارة الأقصى، حيث تُظهر أدنى قيمةلـ HRRmax.
كما تُظهر المادة القياسية أفضل خصائص لتكوين الدخان، مع أقل إجمالي لإطلاق الدخان؛ بينما يُظهر النوع C أعلى إنتاج للدخان.
يقع الفقد النسبي في الكتلة لجميع المواد ضمن نطاق مماثل يتراوح بين 14 و11٪، مما يشير إلى آليات تحلل حراري قابلة للمقارنة.
تُظهر النتائج أن التحسين المتزامن لجميع المعلمات المتعلقة بالحريق ليس قابلاً للتحقيق بسهولة. وقد يترافق تحسين المعلمات الفردية مع تغييرات في خصائص الأداء الأخرى المتعلقة بالحريق.
تسمح طريقة قياس السعرات الحرارية بالمخروط بالتمييز الدقيق حتى بين تركيبات المواد المتشابهة جدًّا.