Въведение
Поливинилхлоридът (PVC) се използва в многобройни приложения, където се прилагат повишени изисквания за пожарна безопасност, като например електрически кабели, строителни продукти и инженерни пластмасови компоненти. Поради високото си съдържание на хлор PVC показва сравнително добра вътрешна огнеустойчивост заедно с ясно изразено образуване на остатъци при термично разлагане в сравнение с много други термопластични материали.
Въпреки това образуването на дим представлява особено предизвикателство за безопасността в случай на пожар. Гъстият дим може значително да влоши видимостта и да усложни усилията за евакуация.
Освен това съдържащите се в дима газообразни и прахообразни продукти от разлагането могат да представляват риск за здравето на хората и на аварийния персонал.
За да се намали специално образуването на дим, съставът на PVC материалите често се регулира внимателно.
Конусната калориметрия в съответствие с ISO 5660-1 е един от утвърдените методи за количествена оценка на поведението на материалите при пожар. Считан за един от най-значимите лабораторни методи за експериментален анализ на пожарните процеси, той осигурява възпроизводими параметри за поведението при запалване, отделянето на топлина, образуването на дим и загубата на маса при определени условия на топлинен поток.
Настоящата приложна бележка представя резултатите от изпитванията на четири материала на основата на PVC. Единият образец служи за еталон, а вариантите А, В и С представляват модифицирани формули, предназначени да намалят образуването на дим. Изследването има за цел да сравни поведението на тези материали при пожар и дим при идентични условия на изпитване с помощта на конусна калориметрия.
Условия за измерване
Тестовете бяха проведени с конусен калориметър NETZSCH TCC 918 (вж. фигура 1) в съответствие с ISO 5660-1. Това е утвърдено устройство за изпитване за провеждане на експериментални анализи на поведението на огъня при определени условия на топлинен поток.
Образците са разположени хоризонтално и са подложени на постоянен топлинен поток с плътност 50 kW/m². По време на измерването непрекъснато се записваха скоростта на отделяне на топлина (HRR)1, загубата на маса и параметрите, описващи образуването на дим, по-специално скоростта на образуване на дим (SPR) и общото отделяне на дим (TSR).
Основните параметри на изпитването са обобщени в таблица 1.
1Коефициентътна отделяне на топлина е мярка за интензивността на пожара и скоростта, с която се отделя топлина (kW/m²).
Таблица 1: Условия за измерване
| Държач на пробата | Хоризонтално |
| Топлинен поток | 50 kW/m2 |
| Номинална скорост на топлинния поток | 24.0 l/s |
| Разстояние до конусния нагревател | 25 mm |
| Маса на образеца | 42.8 g - 51,5 g |
На фигура 2 са показани образците в държача за образци преди измерването.
Поведение при запалване и отделяне на топлина
Всички тествани материали се запалиха в рамките на приблизително 16 до 20 секунди. Това поведение на запалване е типично за PVC системи, подложени на външен топлинен поток с плътност 50 kW/m².
Като цяло скоростта на отделяне на топлина остава на умерено ниво (фигура 3). Основните разлики са очевидни при максималната скорост на отделяне на топлина (HRRmax). Референтният материал показва най-високата стойност на HRRmax, а вариант А - най-ниската.
Като цяло обаче разликите са ограничени, което означава, че основното поведение на горене на изследваните PVC системи може да се счита за сравнимо. Това предполага, че модификациите на материала влияят предимно върху поведението на дима, докато основните горивни процеси остават до голяма степен непроменени.
Производството на дим като ключов диференциращ параметър
Фигура 4 показва, че най-ясно изразените разлики между тестваните материали се проявяват в производството на дим.
Референтният материал (черната крива) показва най-високо общо отделяне на дим (TSR2), докато вариантът (зелената крива), по-специално, показва значително по-ниско отделяне на дим. В сравнение с референтния материал общото отделяне на дим е намалено с приблизително 43 %.
Намаленото отделяне на дим може да подобри видимостта в случай на пожар, което улеснява евакуацията и усилията за реагиране при спешни случаи. При реални сценарии на пожар по-ниското отделяне на дим може да помогне за поддържане на критичните условия на видимост за по-дълго време, като по този начин се удължава наличното време за евакуация.
В допълнение към общото отделяне на дим, скоростта на отделяне на дим (SPR) показва колко бързо се отделя дим по време на развитието на пожара. Този параметър е от значение за безопасността, тъй като влияе върху това колко бързо могат да възникнат критични условия на видимост в случай на пожар.
Въпреки сравнимите времена на запалване и сходните скорости на отделяне на топлина, материалите се различават значително по своето поведение по отношение на дима. Резултатите показват, че целенасочените модификации на материалите могат значително да намалят отделянето на дим, без да променят съществено основното поведение при горене на PVC системите.
2TSR(общо отделяне на дим) се отнася до кумулативното количество дим, произведено по време на горенето, и се получава от измерванията на лазерната светлинна пропускливост, оценена въз основа на затихването на светлината съгласно закона на Бугер-Ламберт.
Загуба на маса
Относителната загуба на маса описва термичното разграждане на материалите по време на излагане на огън и позволява да се направят заключения за поведението им при разлагане.
Референтният материал показва най-висока относителна загуба на маса - 23,95 %. За разлика от тях вариантите А до В показват много сходни стойности от приблизително 16,45 % (фигура 5).
Курезата на кривите на загубата на маса, зависеща от времето, като цяло е сравнима, което предполага, че материалите претърпяват термично разлагане по сходен начин. Въпреки това по-ниските загуби на маса на модифицираните варианти показват по-голямо образуване на остатъци по време на горенето.
Повишеното образуване на остатъци може да намали количеството на летливите пиролизни продукти и по този начин да повлияе на образуването на дим. Изразеното образуване на остатъци е характерно за PVC системите и често се свързва с неорганични компоненти, както и с процеси на овъгляване, по време на излагане на огън.
Състояние на пробите след измерването
След приключване на измерванията пробите показаха ясни разлики в структурата и стабилността на останалите остатъци (вж. фигура 6). Въпреки че всички материали проявяват характерно овъгляване, степента и структурата на повърхността на остатъците се различават между референтния материал и модифицираните варианти.
Тези разлики отразяват наблюдаваните по-рано вариации в разграждането на материала и отделянето на дим. Забележително е, че модифицираните варианти понякога показват по-компактни структури на остатъците, което потенциално показва променено термично разлагане и по-голяма стабилизация на останалия материал по време на излагане на огън. Тези наблюдения са в съответствие с обсъдените по-рано разлики в загубата на маса и отделянето на дим.
Резюме
Конусната калориметрия разкри значителни разлики в поведението на дима на изследваните PVC материали, докато поведението при запалване и скоростта на отделяне на топлина останаха до голяма степен сравними при идентични условия на изпитване. Всички материали се запалват в рамките на приблизително 16 до 20 секунди и показват умерена скорост на отделяне на топлина.
Най-значителната разлика между тестваните материали се наблюдава при развитието на дима. По-специално, вариант В показва значително намалено общо отделяне на дим, като постига намаление до 43 % в сравнение с референтния материал. Намаленото отделяне на дим може да подобри видимостта в случай на пожар, улеснявайки процедурите за евакуация и работата на аварийния персонал.
Модифицираните варианти също така показват по-ниски стойности на загуба на маса в сравнение с референтния материал. Това показва повишено образуване на остатъци по време на горенето, което може да е свързано с по-ниско отделяне на летливи продукти на разлагане и по този начин с намалено образуване на дим.
Тези резултати показват, че целенасочените корекции в състава на материала могат да повлияят значително върху поведението при пожар и дим на PVC системи. Конусната калориметрия позволява възпроизводимо, количествено характеризиране на ключови параметри на пожара при определени условия на изпитване.
По този начин NETZSCH Cone Calorimeter TCC 918 предлага мощен метод за сравнителна оценка на различни състави на материали и подпомага процесите на разработка, насочени към оптимизиране на поведението на полимерните материали при пожар и дим.