Prøvetykkelsens indflydelse på måleresultatet i TCC 918 Cone Calorimeter

Introduktion

Analyse af materialers brandadfærd er en vigtig del af sikkerhedsteknikken. TCC 918 Cone Calorimeter (figur 1) er et veletableret testapparat, der bruges til at bestemme nøgleparametre som varmeafgivelseshastighed (HRR), massetab og røgemissioner. Den kemiske sammensætning af et materiale samt fysiske parametre som prøvegeometri og brandadfærd kan påvirke måleresultaterne.

I henhold til ISO 5660-1 er standarddimensionerne for testprøver 100 mm × 100 mm med en tykkelse på mellem 6 mm og 50 mm. Denne undersøgelse har til formål at analysere prøvetykkelsens indflydelse på måleresultaterne.

TCC 918 Cone Calorimeter viser avanceret brandtestteknologi med en large touchscreen-grænseflade til analytisk måling. — 1) TCC 918 Keglekalorimeter

Testopsætning og betingelser

Ni PMMA-prøver med tykkelser på 7 mm, 14 mm og ca. 19 mm (tre målinger pr. tykkelse) blev undersøgt.

Prøverne blev placeret på en vandret prøveholder, som var monteret på en vejecelle for at muliggøre kontinuerlig registrering af massetabet. Varmen blev tilført ved hjælp af en elektrisk keglevarmer med en konstant varmefluxtæthed på 50 kW/m². Antændelsen skete via gnisttændere, når der var frigivet tilstrækkeligt med pyrolysegasser. De resulterende røggasser blev analyseret for at bestemme massestrømningshastigheden, røggastemperaturen og koncentrationerne af O₂, CO₂ og CO. Røgtætheden blev bestemt ved hjælp af lystransmission. Gasanalysesystemet (Siemens Oxymat/ Ultramat) blev kalibreret før måleserien, og C-faktoren¹ blev valideret ved hjælp af en metanbrænder. Målebetingelserne er opsummeret i tabel 1.

Tabel 1: Målebetingelser

Prøveholder	Vandret
Prøver og tykkelser	PMMA på ca. 7, 14, 19 mm
Varmestrøm	50 ^kW/m2
Nominel varmestrømningshastighed	24.0 l/s
Afstand til keglevarmeren	25 mm

^1C-faktoren, der er defineret i ISO 5660-1, er en kalibreringskonstant, der bruges til at bestemme varmeafgivelseshastigheden (HRR). Den forbinder signalet fra iltanalysatoren med den faktiske varmeenergi, der frigives.

Resultater af målinger

Antændelsestidspunkt (TOI) og tid for forbrænding indtil udryddelse (TOF)

Som forventet er antændelsestiden (TOI) den samme for alle prøver og er 22 sekunder. Det tyder på, at antændelsen primært er påvirket af overfladeegenskaber snarere end materialetykkelse.

Derimod afhænger tiden fra forbrænding til fuldstændig udslettelse (Time of Flame-off eller TOF) tydeligt af prøvens tykkelse. Prøverne på 7 mm brændte i gennemsnit i 597 sekunder; prøverne på 14 mm i gennemsnit i 857 sekunder; og prøverne på 19 mm i gennemsnit i 1108 sekunder (se tabel 2). Det er bemærkelsesværdigt, at der også blev observeret ensartede tidsforskelle i TOF med en ensartet stigning i prøvetykkelsen. Dette gør det muligt at udlede et næsten lineært forhold mellem TOF og prøvetykkelse, hvilket muliggør enkel interpolation for yderligere tykkelser.

Tabel 2: Gennemsnitlige tider for antændelse og forbrænding indtil udslettelse

Prøvens tykkelse	TOI	TOF
7 mm	22 s	597 s
14 mm	22 s	857 s
19 mm	22 s	1108 s

Varmeafgivelse (HRR, THR)

Det vigtigste aspekt af analysen er varmeafgivelseshastigheden (HRR), som defineres som den mængde varme, der afgives pr. tidsenhed.

Figur 2 viser HRR-kurverne for PMMA-prøver med forskellige tykkelser: 7 mm (blå), 14 mm (grøn) og 19 mm (rød). Evaluering af HRR afslører klare forskelle mellem prøvetykkelserne.

Mens den maksimale HRR er sammenlignelig for alle prøvetykkelser (~880 kW/m²), forskydes det tidspunkt, hvor den opstår, systematisk til et senere tidspunkt, når prøvetykkelsen øges. Dette var forventet, da tykkere materialer kræver mere tid til at blive varmet helt op og gennemgå PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse. I tyndere prøver frigives flygtige komponenter tidligere.

Grafen illustrerer varmeafgivelseshastigheden (HRR) for PMMA-prøver ved at sammenligne tykkelseseffekter (7 mm, 14 mm, 19 mm) over tid. — 2) Forløb af varmeafgivelseshastigheden (HRR) for PMMA-prøver med forskellige tykkelser

Den samlede varmeafgivelse (THR) under forbrændingen svarer til integralet af HRR over tid. Figur 3 viser THR-kurverne. Som forventet stiger THR-værdierne med prøvens tykkelse.

Graf, der illustrerer den samlede varmeafgivelse (THR) for PMMA-prøver i forskellige tykkelser (7 mm, 14 mm, 19 mm) over tid. — 3) Forløb af den samlede varmeafgivelse (THR) for PMMA-prøver med forskellige tykkelser

Figur 4 viser den lineære sammenhæng mellem prøvens tykkelse og a) tidspunktet for HRR-maksimum og b) den samlede varmeafgivelse. Sammenhængen bekræfter, at THR ved fuldstændig forbrænding hovedsageligt bestemmes af den anvendte materialemængde. Det lineære forhold mellem prøvetykkelse, forbrændingstid indtil fuldstændig udslettelse (TOF) og THR indikerer, at alle prøver blev næsten fuldstændigt omdannet. To individuelle målinger med forskellige prøvetykkelser kan nemt konverteres til de tilsvarende værdier for andre prøvetykkelser.

Graf, der sammenligner prøvens tykkelse med tidspunktet for maksimal HRR og total varmeafgivelse, og som viser lineære forhold til analyse. — 4) Forholdet mellem prøvens tykkelse og a) tidspunktet for HRR-maksimum og b) den samlede varmeafgivelse (THR)

Røgproduktion (SPR, TSP)

Et andet vigtigt aspekt af undersøgelsen er at registrere røgudviklingen. Dette opnås ved at måle lystransmissionen i røggasstrømmen. En laserstråle ledes gennem udstødningsrøret (se figur 5). Faldende transmission indikerer en stigning i røgtætheden.

Skematisk oversigt over TCC 918, der viser nøglekomponenter som laser, gasprøvetagningssonde og udsugningshætte til analyse. — 5) Skematisk oversigt over TCC 918

På samme måde som med HRR blev det observeret, at det tog længere tid at nå den maksimale røgproduktionshastighed (SPR), når prøvetykkelsen steg. Som det fremgår af figur 6, viser SPR-kurverne, at tyndere prøver hurtigt frigiver large mængder røg, mens tykkere prøver frigiver røg over en længere periode. Dette afspejler den forsinkede pyrolyseproces, hvor tykkere prøver er længere tid om at nedbrydes fuldstændigt.

Graf, der illustrerer røgproduktionshastigheden (SPR) for PMMA-prøver i forskellige tykkelser over tid, med tydelige farvekodede datalinjer. — 6) Forløb af røgproduktion (SPR) af PMMA-prøver med forskellige tykkelser

Den samlede røgproduktion (TSP), vist i figur 7, stiger som forventet med stigende prøvetykkelse.

Graf, der illustrerer forholdet mellem prøvens tykkelse (mm) og den samlede røgproduktion (TSP). Lineær tendens vist med R²-værdi. — 7) Forholdet mellem prøvens tykkelse og den samlede røgudvikling

Figur 8 viser det næsten lineære forhold mellem prøvens tykkelse og TSP. Det bekræfter, at når prøvemassen er fuldt omdannet, bestemmes den samlede røgudvikling hovedsageligt af mængden af materiale, der er til stede.

Graf over den samlede røgproduktion (TSP) for PMMA-prøver, der viser forskellige tykkelser (7 mm, 14 mm, 19 mm) over tid i minutter. — 8) Forløb af den samlede røgproduktion (TSP) af PMMA-prøverne med forskellige tykkelser

Sammenfatning

Prøvetykkelsen har stor indflydelse på brandparametrene i keglekalorimeteret. Mens antændelsestiden forbliver stort set konstant, stiger forbrændingstiden, THR og TSP næsten lineært med stigende prøvetykkelse.

Disse resultater understreger vigtigheden af altid at bruge identiske prøvetykkelser til sammenlignende materialetest for at sikre pålidelige og sammenlignelige resultater. Takket være den observerede linearitet kan måleresultater baseret på kun to tykkelser også overføres til andre tykkelser ved hjælp af simpel interpolation eller ekstrapolation.

Da materialer med forskellige tykkelser ofte bruges til de samme anvendelser i praksis, er det fornuftigt at udføre test under anvendelsesspecifikke forhold, f.eks. med typiske komponenttykkelser eller reelle installationssituationer, for at opnå en realistisk vurdering af brandbeskyttelsen. Det er den eneste måde, hvorpå man pålideligt kan vurdere den faktiske brandadfærd og foretage velbegrundede materialevalg.