Brandverhaltensbewertung von Dämmstoffen, gemessen mit dem Cone Calorimeter TCC 918

Einleitung

Dämmstoffe erfüllen im Bauwesen eine zentrale Aufgabe im Fassadenbau: Sie reduzieren den Wärme- , Kälte- , Schall- und teilweise auch Feuchtetransport zwischen Innen- und Außenbereichen. Dadurch sinkt der Energieverbrauch eines Gebäudes, das Raumklima bleibt stabiler, und der Wohnkomfort steigt deutlich. 

Wofür werden Dämmstoffe gebraucht? 

• Wärmedämmung: Minimiert Wärmeverluste im Winter und verhindert Überhitzung im Sommer 
• Feuchteschutz: Bestimmte Materialien regulieren Feuchtigkeit und verhindern das Auftreten vonKondenswasser 
• Schallschutz: Dämmmaterialien reduzieren den Luftund Trittschall 
• Brandschutz: Einige Dämmstoffe wirken als Barriere gegen Feuer und verzögern dessen Ausbreitung 

Dämmstoffe leisten einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz, zum Schall- und Feuchteschutz sowie zur Brandsicherheit von Gebäuden. Neben der thermischen Performance gewinnt insbesondere das Brandverhalten zunehmend an Bedeutung, da es maßgeblich die Brandausbreitung, Rauchentwicklung und Evakuierungssicherheit beeinflusst. 

Das Cone Calorimeter TCC 918 (Abbildung 1) nach ISO 5660-1 ist ein etabliertes Prüfverfahren zur quantitativen Bewertung des Brandverhaltens von Materialien unter definierten Wärmeeinwirkungen.

In dieser Application Note werden verschiedene Dämmstoffvarianten mithilfe des NETZSCH Cone Calorimeters TCC 918 untersucht und vergleichend bewertet.

Messbedingungen

Zur Untersuchung des Brandverhaltens wurden fünf Dämmstoffvarianten mit unterschiedlichen Formulierungen und Farbvarianten (weiß, rot und drei graue Varianten) im Cone Calorimeter TCC 918 geprüft.

Dieses Gerät erfasst zahlreiche Messparameter, wie die Wärmefreisetzungsrate (HRR), den Zündzeitpunkt (TOI), die gesamte Rauchentwicklung (TSP). Dadurch lassen sich auch Vorhersagen über die Brandentwicklung machen.

Alle Prüfungen wurden unter identischen Bedingungen gemäß ISO 5660-1 durchgeführt, wodurch eine direkte und aussagekräftige Vergleichbarkeit gegeben ist.

Jedes untersuchte Dämmmaterial (Abbildung 2) wurde durch mehrere Einzelproben wiederholt gemessen.

Der Prüfumfang ist in Tabelle 1 und die Messbedingungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Jede Probe des unterschiedlichen Dämmmaterials wurde unabhängig und unter identischen Bedingungen geprüft.

Die Umgebungsbedingungen im Labor waren während der gesamten Prüfreihe stabil (ca. 24 bis 25 °C, relative Luftfeuchte ca. 22 bis 23 %).

Tabelle 1: Prüfumfang

Tabelle 2: Messbedingungen

Messergebnisse und vergleichende Übersichten

Alle in diesem Abschnitt dargestellten Schlussfolgerungen basieren ausschließlich auf den Ergebnissen der einzelnen gemessenen Proben.

Zündverhalten

Der Time of Ignition (TOI¹) Test bewertet, wie schnell ein Material unter definierter Wärmebelastung zündet. Dabei wurde die Probe einer konstanten Wärmestrahlung von 25 kW/m2 ausgesetzt. Die Zeitspanne vom Beginn der Bestrahlung bis zum ersten sichtbaren Flammenauftreten wird als Zündzeit gemessen. Dieser Zeitstempel wird direkt in der Cone Calorimeter-Software als TOI-Wert angezeigt.

Eine kurze Zündzeit bedeutet, dass das Material leicht entflammbar ist, schnell Energie aufnimmt, sich somit rasch erwärmt und sich die gasförmigen Pyrolyseprodukte früh entzünden. Ein Material, das schwerer entflammbar ist, benötigt mehr Energie zum Aufheizen und zur Pyrolyse, wodurch sich die Zündung verzögert.

Über alle geprüften Materialien hinweg zeigt sich eine klare und konsistente Differenzierung des Zündverhaltens. Eine Gegenüberstellung ist in Abbildung 3 zu finden.

• Die weiße Variante der untersuchten Proben zeigt die kürzesten Zündzeiten und damit die geringste Widerstandsfähigkeit gegenüber der einwirkenden Wärmestrahlung. Es ergibt sich hier eine gemittelte Zündzeit von 414 s.
• Die rote Variante weist eine mittlere Zündbeständigkeit auf und zündet später als die weiße, jedoch früher als die grauen Varianten. Hier beträgt die gemittelte Zündzeit 599 s.
• Bei den grauen Varianten zeigen sich durchgehend die längsten Zündzeiten. Der berechnete Mittelwert der Zündzeit ist bei 862 s, was auf eine erhöhte Zündbeständigkeit unter dem angelegten Wärmefluss hinweist.

Damit zeigen die grauen Materialien die höchste Widerstandsfähigkeit gegenüber der angelegten Wärmestrahlung.

¹Die Zeit bis zur Entzündung (engl. time to ignition, TOI) definiert, wie schnell die flammende Verbrennung eines Material erfolgt.(NTA_Cone_Calorimeter_de_web.pdf, S.7)

Wärmefreisetzungsintensität und Brandentwicklung

Die Wärmefreisetzungsrate (HRR²) ist eine der zentralen Kenngrößen zur Beurteilung der Brandintensität. Sie gilt als treibende Kraft eines Feuers – je höher sie ist, desto größer sind Flammbarkeit und potenzielle Brandgefahr.

Der Peakwert der Wärmefreisetzungsrate (Peak-HRR) zeigt genau diesen gefährlichsten Moment, in dem ein Material am meisten Wärme freisetzt und im Ernstfall besonders schnell und intensiv zur Brandausbreitung beiträgt.

Der Peak-HRR ermöglicht einen klaren, einfachen Vergleich zwischen verschiedenen Werkstoffen und Rezepturen.

In den folgenden drei Abbildungen (4 bis 6) sind die Messkurven für die Wärmefreisetzungsmengen der unterschiedlichen Materialien der Dämmstoffe dargestellt.

²Die Wärmefreisetzungsrate (HRR - Heat Release Rate) ist ein Maß für die Menge an Wärme, die pro Zeiteinheit bei der Verbrennung eines Materials freigesetzt wird. (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)

In Tabelle 3 sind die maximalen Wärmefreisetzungsraten (Peak-HRR3) im Vergleich der verschiedenen Dämmmaterialvarianten angegeben.

Zur besseren Vergleichbarkeit wurden jeweils die Mittelwerte der Peak-HRR-Werte der verschiedenen Materialvarianten berechnet.

Aus den Ergebnissen lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

• weiße Variante: ca. 572 kW/m² → sehr hohe Brandintensität.
• rote Variante: ca. 306 kW/m² → mittlere bis hohe Brandintensität
• graue Varianten: ca. 289 kW/m² → mittlere Brandintensität

Die weißen Materialien zeigen somit die intensivste Wärmefreisetzung nach der Zündung, während die grauen Varianten durch niedrigere Peak-HRR-Werte gekennzeichnet sind.

³Peak-HRR – Maximalwert der Wärmefreisetzungsrate (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)

Tabelle 3: Peak-HRR im Vergleich

Brandwachstumsintensität

Die maximale mittlere Wärmefreisetzungsrate (MARHE4) verdeutlicht die Unterschiede in der Brandwachstumsintensität, da sie das zeitlich geglättete Maximum der Wärmefreisetzung während des Prüfverlaufs repräsentiert und somit das Brandverhalten verschiedener Materialien vergleichbar macht.

Abbildung 7 zeigt die MARHE-Werte (Maximum Average Rate of Heat Emission) der verschiedenen Materialproben, unterschieden nach den Farben weiß, rot und grau. Die Werte sind als vertikale Balken dargestellt, jeweils mit der zugehörigen Probenbezeichnung unterhalb der Balken. Die MARHE-Werte geben an, wie hoch die maximale durchschnittliche Wärmefreisetzung während der kompletten Brandprüfung ausfällt.

⁴MARHE–Wert, (Max. Average Rate of Heat Emission) ist die maximale Wärmefreisetzungsmenge, die während eines Cone Calorimeter Tests nach ISO 5660-1 ermittelt wird.

Interpretation

• Proben der Kategorie (weiß) zeigen überwiegend MARHE-Werte im Bereich von 76,7 kW/m² bis 90 kW/m²
• mehrere Proben zeigen Werte über 80 kW/m², zwei davon sogar nahe 90 kW/m².

→ Die weißen Materialien haben die höchsten MARHE-Werte und stellen damit im Vergleich die kritischsten Brandverhaltenswerte dar, was auch mit den hohen Peak-HRR-Werten übereinstimmt und eine schnelle Brandentwicklung bedeutet.

• Proben der Kategorie (rot) liegen im mittleren Bereich, zeigen eine deutliche Spreizung. Werte: 56,5 kW/m², 37,7 kW/m², 57,6 kW/m².

→ Die roten Proben zeigen ein mäßig hohes Brandverhalten mit einer gewissen Variation von Probe zu Probe

• Proben der Kategorie (grau) haben generell niedrigere MARHE -Werte, allerdings auch mit zwei Ausreißern.
• Der Hauptbereich liegt zwischen 39 und 60 kW/m².

→ Die grauen Proben weisen größtenteils die niedrigsten MARHE-Werte auf, was auf ein kontrollierteres Brandwachstum hindeutet.

Rauchentwicklung

Die Rauchentwicklung (Total Smoke Production – TSP5) beschreibt die während der Cone Calorimeter Prüfung nach ISO 5660 1 insgesamt freigesetzte Rauchmenge und dient als zentraler Kennwert zur Beurteilung des Rauchverhaltens von Materialien.

Die gesamte Rauchentwicklung (Abbildungen 8 bis 10) unterscheidet sich deutlich zwischen den Formulierungen:

• Alle grauen Materialien erreichen nach etwa 25 min ihr Endplateau und liefern typische Werte zwischen 1650 m² und 1950 m².
• Bei den weißen Materialien zeigt sich eine moderate Gesamtraucherzeugung mit Werten zwischen 1450 m² und 1650 m². Das Endplateau ist bereits nach 15 min erreicht.
• Die roten Varianten weisen die geringste Gesamtraucherzeugung unter den geprüften Materialien auf. Die Werte erreichen nach 18 min ihr Plateau zwischen 1290 m² und 1350 m².

⁵Total Smoke Production (TSP) beschreibt die Gesamtmenge an entstehendem Rauch, gemessen über die gesamte Branddauer. (gemäß ISO 5660 -1)

Zusammenfassung

Die Messungen mit dem Cone Calorimeter TCC 918 zeigen klare und reproduzierbare Unterschiede im Brandverhalten der untersuchten Dämmstoffvarianten.

Anhand quantitativer Kenngrößen wie Zündzeit, Wärmefreisetzungsrate, Brandwachstumsintensität und Rauchentwicklung lassen sich Entflammbarkeit, Branddynamik und Rauchverhalten eindeutig charakterisieren und direkt vergleichen.

Die Ergebnisse machen den Einfluss unterschiedlicher Materialformulierungen deutlich sichtbar und liefern eine belastbare Grundlage für Materialentwicklung, Rezepturoptimierung und Benchmarking unter definierten Laborbedingungen.