Introduktion
Polyvinylchlorid (PVC) anvendes i mange sammenhænge, hvor der stilles øgede krav til brandsikkerhed, f.eks. i elektriske kabler, byggeprodukter og tekniske plastkomponenter. På grund af det høje klorindhold har PVC en relativt god iboende flammehæmning sammen med en tydelig restdannelse under termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning sammenlignet med mange andre termoplastmaterialer.
Røgudvikling udgør dog en særlig sikkerhedsudfordring i tilfælde af brand. Tæt røg kan forringe sigtbarheden betydeligt og vanskeliggøre evakueringsarbejdet.
Desuden kan de gas- og partikelformige nedbrydningsprodukter, der er indeholdt i røgen, udgøre en sundhedsrisiko for mennesker og beredskabspersonale.
For specifikt at reducere røgproduktionen justeres sammensætningen af PVC-materialer ofte omhyggeligt.
Keglekalorimetri i overensstemmelse med ISO 5660-1 er en af de etablerede metoder til kvantitativ evaluering af materialers brandadfærd. Den anses for at være en af de mest meningsfulde laboratoriemetoder til eksperimentel analyse af brandprocesser og giver reproducerbare parametre for antændelsesadfærd, varmeafgivelse, røgudvikling og massetab under definerede varmestrømningsforhold.
Denne Application Note præsenterer testresultaterne for fire PVC-baserede materialer. En prøve fungerer som reference, mens varianterne A, B og C repræsenterer modificerede formuleringer, der er designet til at reducere røgudviklingen. Undersøgelsen har til formål at sammenligne disse materialers brand- og røgadfærd under identiske testforhold ved hjælp af keglekalorimetri.
Målebetingelser
Testene blev udført ved hjælp af NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter (se figur 1) i overensstemmelse med ISO 5660-1. Dette er en veletableret testanordning til udførelse af eksperimentelle analyser af brandadfærd under definerede varmestrømningsforhold.
Prøveemnerne blev placeret vandret og udsat for en konstant varmestrømningstæthed på 50 kW/m². Under målingen blev varmeafgivelseshastigheden (HRR)1, massetab og parametre, der beskriver røgudvikling, især røgproduktionshastigheden (SPR) og den samlede røgafgivelse (TSR), løbende registreret.
De vigtigste testparametre er opsummeret i tabel 1.
1Varmeafgivelseshastigheden er et mål for en brands intensitet og den hastighed, hvormed der afgives varme (kW/m²).
Tabel 1: Målebetingelser
| Prøveholder | Vandret |
| Varmestrøm | 50 kW/m2 |
| Nominel varmestrømningshastighed | 24.0 l/s |
| Afstand til keglevarmeren | 25 mm |
| Masse af prøve | 42.8 g - 51,5 g |
Figur 2 viser prøverne i prøveholderen før målingen.
Antændelsesadfærd og varmeafgivelse
Alle de testede materialer blev antændt inden for et tidsrum på ca. 16 til 20 sekunder. Denne antændelsesadfærd er typisk for PVC-systemer, der udsættes for en ekstern varmestrømningstæthed på 50 kW/m².
Generelt forbliver varmeafgivelseshastighederne på et moderat niveau (figur 3). De største forskelle er tydelige i den maksimale varmeafgivelseshastighed (HRRmax). Referencematerialet udviser den højeste HRRmax, mens variant A har den laveste.
Samlet set er forskellene dog begrænsede, hvilket betyder, at den grundlæggende forbrændingsadfærd for de undersøgte PVC-systemer kan betragtes som sammenlignelig. Dette tyder på, at materialemodifikationer primært påvirker røgadfærden, mens de grundlæggende forbrændingsprocesser forbliver stort set uændrede.
Røgproduktion som en vigtig differentierende parameter
Figur 4 viser, at de mest markante forskelle mellem de testede materialer er tydelige i røgproduktionen.
Referencematerialet (sort kurve) udviser den højeste samlede røgudvikling (TSR2), mens især varianten (grøn kurve) udviser en betydeligt lavere røgudvikling. Sammenlignet med referencematerialet er den samlede røgudvikling reduceret med op til ca. 43 %.
Reduceret røgudvikling kan forbedre synligheden i tilfælde af brand, hvilket letter evakueringen og nødhjælpsindsatsen. I virkelige brandscenarier kan lavere røgproduktion hjælpe med at opretholde kritiske sigtbarhedsforhold i længere tid og dermed udvide den tilgængelige evakueringstid.
Ud over den samlede røgudvikling angiver røgproduktionshastigheden (SPR), hvor hurtigt røgen frigives under udviklingen af en brand. Denne parameter er relevant for sikkerheden, da den påvirker, hvor hurtigt der kan opstå kritiske sigtbarhedsforhold i tilfælde af brand.
På trods af sammenlignelige antændelsestider og lignende varmeafgivelseshastigheder adskiller materialerne sig markant i deres røgadfærd. Resultaterne viser, at målrettede materialemodifikationer kan reducere røgudviklingen betydeligt uden at ændre væsentligt på PVC-systemernes grundlæggende forbrændingsadfærd.
2TSR(total røgudvikling) henviser til den kumulative mængde røg, der produceres under forbrændingen, og er afledt af målinger af laserlystransmission, evalueret baseret på lysdæmpning i henhold til Bouguer-Lamberts lov.
Massetab
Det relative massetab beskriver den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af materialer under udsættelse for brand og gør det muligt at drage konklusioner om deres nedbrydningsadfærd.
Referencematerialet udviser det højeste relative massetab på 23,95 %. I modsætning hertil viser varianterne A til C meget ensartede værdier på ca. 16,45 % (figur 5).
Den tidsafhængige kurve for massetabet er generelt sammenlignelig, hvilket tyder på, at materialerne gennemgår termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning på samme måde. Det lavere massetab for de modificerede varianter indikerer dog større restdannelse under forbrændingen.
Øget restdannelse kan reducere mængden af flygtige pyrolyseprodukter og dermed påvirke røgudviklingen. Udtalt restdannelse er karakteristisk for PVC-systemer og er ofte forbundet med uorganiske komponenter samt forkulningsprocesser under brandeksponering.
Prøvernes tilstand efter målingen
Efter målingerne viste prøverne tydelige forskelle i strukturen og stabiliteten af de resterende rester (se figur 6). Mens alle materialer udviste karakteristisk forkulning, var omfanget og overfladestrukturen af resterne forskellig mellem referencematerialet og de modificerede varianter.
Disse forskelle afspejler de tidligere observerede variationer i materialenedbrydning og røgudvikling. Især udviser de modificerede varianter nogle gange mere kompakte reststrukturer, hvilket potentielt indikerer ændret termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning og større stabilisering af det resterende materiale under brandeksponering. Disse observationer stemmer overens med de tidligere omtalte forskelle i massetab og røgudvikling.
Sammenfatning
Keglekalorimetri afslørede betydelige forskelle i de undersøgte PVC-materialers røgadfærd, mens antændelsesadfærd og varmeafgivelseshastigheder forblev stort set sammenlignelige under identiske testbetingelser. Alle materialer blev antændt inden for et tidsrum på ca. 16 til 20 sekunder og udviste moderate varmeafgivelseshastigheder.
Den mest markante forskel mellem de testede materialer blev observeret i røgudviklingen. Især variant B udviste betydeligt reduceret total røgudvikling og opnåede en reduktion på op til 43% sammenlignet med referencematerialet. Reduceret røgudvikling kan forbedre synligheden i tilfælde af brand, hvilket letter evakueringsprocedurer og beredskabspersonalets arbejde.
De modificerede varianter udviste også lavere massetabsværdier end referencematerialet. Dette indikerer øget restdannelse under forbrænding, hvilket kan være forbundet med en lavere frigivelse af flygtige nedbrydningsprodukter og dermed reduceret røgudvikling.
Disse resultater viser, at målrettede justeringer af materialesammensætningen kan have en betydelig indflydelse på PVC-systemers brand- og røgadfærd. Keglekalorimetri muliggør reproducerbar, kvantitativ karakterisering af vigtige brandparametre under definerede testforhold.
NETZSCH Cone Calorimeter TCC 918 tilbyder således en effektiv metode til sammenlignende evaluering af forskellige materialeformuleringer og understøtter udviklingsprocesser, der har til formål at optimere polymermaterialers brand- og røgadfærd.