Úvod
Polyvinylchlorid (PVC) se používá v mnoha aplikacích, kde se uplatňují zvýšené požadavky na požární bezpečnost, jako jsou elektrické kabely, stavební výrobky a technické plastové komponenty. Vzhledem k vysokému obsahu chlóru vykazuje PVC ve srovnání s mnoha jinými termoplasty poměrně dobrou vnitřní nehořlavost spolu s výraznou tvorbou zbytků při tepelném rozkladu.
Tvorba kouře však představuje zvláštní bezpečnostní problém v případě požáru. Hustý kouř může výrazně zhoršit viditelnost a zkomplikovat evakuaci.
Kromě toho mohou plynné a pevné produkty rozkladu obsažené v kouři představovat zdravotní riziko pro lidi a záchranáře.
Pro specifické snížení produkce kouře se často pečlivě upravuje složení materiálů z PVC.
Kuželová kalorimetrie podle normy ISO 5660-1 je jednou ze zavedených metod pro kvantitativní hodnocení chování materiálů při požáru. Je považována za jednu z nejvýznamnějších laboratorních metod pro experimentální analýzu požárních procesů a poskytuje reprodukovatelné parametry pro chování při vznícení, uvolňování tepla, tvorbu kouře a hmotnostní ztráty za definovaných podmínek tepelného toku.
Tato aplikační poznámka uvádí výsledky zkoušek čtyř materiálů na bázi PVC. Jeden vzorek slouží jako referenční, zatímco varianty A, B a C představují modifikované složení určené ke snížení tvorby kouře. Cílem studie je porovnat chování těchto materiálů při požáru a kouři za stejných zkušebních podmínek pomocí kuželové kalorimetrie.
Podmínky měření
Testy byly provedeny pomocí kuželového kalorimetru NETZSCH TCC 918 (viz obrázek 1) v souladu s normou ISO 5660-1. Jedná se o osvědčené zkušební zařízení pro provádění experimentálních analýz chování požáru za definovaných podmínek tepelného toku.
Vzorky byly umístěny vodorovně a vystaveny konstantní hustotě tepelného toku 50 kW/m². Během měření se průběžně zaznamenávala rychlost uvolňování tepla (HRR)1, hmotnostní ztráty a parametry popisující vznik kouře, zejména rychlost produkce kouře (SPR) a celkové uvolňování kouře (TSR).
Klíčové parametry zkoušky jsou shrnuty v tabulce 1.
1Rychlostuvolňování tepla je měřítkem intenzity požáru a rychlosti uvolňování tepla (kW/m²).
Tabulka 1: Podmínky měření
| Držák vzorku | Horizontální |
| Tepelný tok | 50 kW/m2 |
| Jmenovitý tepelný tok | 24.0 l/s |
| Vzdálenost ke kuželovému ohřívači | 25 mm |
| Hmotnost vzorku | 42.8 g - 51,5 g |
Obrázek 2 ukazuje vzorky v držáku vzorků před měřením.
Chování při vznícení a uvolňování tepla
Všechny testované materiály se vznítily v časovém rozmezí přibližně 16 až 20 sekund. Toto chování při vznícení je typické pro systémy z PVC vystavené vnějšímu tepelnému toku o hustotě 50 kW/m².
Celkově zůstává rychlost uvolňování tepla na mírné úrovni (obr. 3). Hlavní rozdíly jsou patrné v maximální rychlosti uvolňování tepla (HRRmax). Referenční materiál vykazuje nejvyšší HRRmax, zatímco varianta A nejnižší.
Celkově jsou však rozdíly omezené, což znamená, že základní chování zkoumaných systémů PVC při spalování lze považovat za srovnatelné. To naznačuje, že úpravy materiálu ovlivňují především chování kouře, zatímco základní spalovací procesy zůstávají do značné míry nezměněny.
Produkce kouře jako klíčový rozlišovací parametr
Obrázek 4 ukazuje, že nejvýraznější rozdíly mezi testovanými materiály jsou patrné v produkci kouře.
Referenční materiál (černá křivka) vykazuje nejvyšší celkové uvolňování kouře (TSR2), zatímco zejména varianta (zelená křivka) vykazuje výrazně nižší produkci kouře. Ve srovnání s referenčním materiálem je celkové uvolňování kouře sníženo až o přibližně 43 %.
Snížené uvolňování kouře může zlepšit viditelnost v případě požáru, což usnadňuje evakuaci a zásah při mimořádných událostech. V reálných scénářích požáru může nižší produkce kouře pomoci udržet kritické podmínky viditelnosti po delší dobu, a prodloužit tak dostupnou dobu evakuace.
Kromě celkového uvolňování kouře udává míra produkce kouře (SPR), jak rychle se kouř během rozvoje požáru uvolňuje. Tento parametr je důležitý pro bezpečnost, protože ovlivňuje, jak rychle mohou v případě požáru vzniknout kritické podmínky viditelnosti.
Navzdory srovnatelné době vznícení a podobné rychlosti uvolňování tepla se materiály výrazně liší svým chováním při vzniku kouře. Výsledky ukazují, že cílené úpravy materiálů mohou výrazně snížit uvolňování kouře, aniž by se podstatně změnilo základní chování PVC systémů při hoření.
2TSR(celkové uvolňování kouře) označuje kumulativní množství kouře vzniklého během hoření a je odvozeno z měření propustnosti laserového světla, vyhodnocené na základě útlumu světla podle Bouguer-Lambertova zákona.
Úbytek hmotnosti
Relativní úbytek hmotnosti popisuje tepelnou degradaci materiálů během jejich vystavení požáru a umožňuje vyvodit závěry o jejich chování při rozkladu.
Referenční materiál vykazuje nejvyšší relativní úbytek hmotnosti, a to 23,95 %. Naproti tomu varianty A až C vykazují velmi podobné hodnoty přibližně 16,45 % (obrázek 5).
Křivky hmotnostních ztrát v závislosti na čase jsou obecně srovnatelné, což naznačuje, že materiály podléhají tepelnému rozkladu podobným způsobem. Nižší hmotnostní ztráty modifikovaných variant však naznačují větší tvorbu zbytků během spalování.
Zvýšená tvorba zbytků může snížit množství těkavých produktů pyrolýzy, a tím ovlivnit tvorbu kouře. Výrazná tvorba zbytků je charakteristická pro systémy PVC a často souvisí s anorganickými složkami a také s procesy zuhelnatění během vystavení požáru.
Stav vzorků po měření
Po ukončení měření vykazovaly vzorky zřetelné rozdíly ve struktuře a stabilitě zbývajících reziduí (viz obrázek 6). Zatímco všechny materiály vykazovaly charakteristické zuhelnatění, rozsah a povrchová struktura zbytků se u referenčního materiálu a modifikovaných variant lišily.
Tyto rozdíly odrážejí dříve pozorované rozdíly v degradaci materiálu a emisi kouře. Pozoruhodné je, že modifikované varianty někdy vykazují kompaktnější strukturu zbytků, což může naznačovat změněný tepelný Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad a větší stabilizaci zbývajícího materiálu během vystavení požáru. Tato pozorování jsou v souladu s dříve diskutovanými rozdíly v úbytku hmotnosti a uvolňování kouře.
Souhrn
Kuželová kalorimetrie odhalila významné rozdíly v chování zkoumaných PVC materiálů při kouři, zatímco chování při vznícení a rychlost uvolňování tepla zůstaly za stejných zkušebních podmínek do značné míry srovnatelné. Všechny materiály se vznítily v časovém rozmezí přibližně 16 až 20 sekund a vykazovaly střední rychlost uvolňování tepla.
Nejvýznamnější rozdíl mezi testovanými materiály byl pozorován ve vývoji kouře. Zejména varianta B vykazovala výrazně nižší celkové uvolňování kouře a dosáhla snížení až o 43 % ve srovnání s referenčním materiálem. Snížené uvolňování kouře může zlepšit viditelnost v případě požáru, což usnadňuje evakuační postupy a práci záchranářů.
Modifikované varianty rovněž vykazovaly nižší hodnoty hmotnostních ztrát než referenční materiál. To naznačuje zvýšenou tvorbu zbytků během hoření, což může souviset s nižším uvolňováním těkavých produktů rozkladu, a tedy i se sníženou tvorbou kouře.
Tyto výsledky ukazují, že cílené úpravy složení materiálu mohou významně ovlivnit chování PVC systémů při požáru a kouři. Kuželová kalorimetrie umožňuje reprodukovatelnou kvantitativní charakterizaci klíčových parametrů požáru za definovaných zkušebních podmínek.
Kuželová kalorimetrie NETZSCH TCC 918 tak nabízí účinnou metodu pro srovnávací hodnocení různých materiálových složení a podporuje vývojové procesy zaměřené na optimalizaci chování polymerních materiálů při požáru a kouři.