Συμπεριφορά μονωτικών υλικών στη φωτιά, μετρούμενη με το θερμιδόμετρο κώνου TCC 918

Εισαγωγή

Τα μονωτικά υλικά διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην κατασκευή προσόψεων στην οικοδομική βιομηχανία: Μειώνουν τη μεταφορά θερμότητας, ψύχους, ήχου και, σε ορισμένες περιπτώσεις, υγρασίας μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών χώρων. Αυτό μειώνει την ενεργειακή κατανάλωση ενός κτιρίου, διατηρεί το εσωτερικό κλίμα πιο σταθερό και αυξάνει σημαντικά την άνεση διαβίωσης.

Για ποιο λόγο χρησιμοποιούνται τα μονωτικά υλικά;

• Θερμομόνωση: Ελαχιστοποιεί την απώλεια θερμότητας το χειμώνα και αποτρέπει την υπερθέρμανση το καλοκαίρι
• Προστασία από την υγρασία: Ορισμένα υλικά ρυθμίζουν την υγρασία και αποτρέπουν τη συμπύκνωση
• Ηχομόνωση: Μονωτικά υλικά μειώνουν τον αερόφερτο και τον κρουστικό ήχο
• Πυροπροστασία: Ορισμένα μονωτικά υλικά λειτουργούν ως φράγμα κατά της πυρκαγιάς ή καθυστερούν την εξάπλωσή της.

Τα μονωτικά υλικά συμβάλλουν σημαντικά στην ενεργειακή απόδοση, την ηχοπροστασία, την προστασία από την υγρασία και την πυρασφάλεια των κτιρίων. Εκτός από τη θερμική απόδοση, η συμπεριφορά στη φωτιά αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία, καθώς επηρεάζει σημαντικά την εξάπλωση της φωτιάς, την ανάπτυξη καπνού και την ασφάλεια της εκκένωσης.

Το θερμιδόμετρο κώνου TCC 918 (σχήμα 1) σύμφωνα με το ISO 5660-1 είναι μια καθιερωμένη μέθοδος δοκιμής για την ποσοτική αξιολόγηση της συμπεριφοράς υλικών στη φωτιά υπό καθορισμένες θερμικές επιδράσεις.

Σε αυτό το σημείωμα εφαρμογής, δοκιμάζονται και συγκρίνονται διάφορες παραλλαγές μονωτικών υλικών χρησιμοποιώντας το NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter.

Συνθήκες μέτρησης

Πέντε παραλλαγές μόνωσης με διαφορετικές συνθέσεις και χρώματα (λευκό, κόκκινο και τρεις αποχρώσεις του γκρι) δοκιμάστηκαν στο θερμιδόμετρο κώνου TCC 918 για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς στη φωτιά.

Η συσκευή αυτή καταγράφει διάφορες παραμέτρους, όπως ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR), ο χρόνος ανάφλεξης (TOI) και η συνολική παραγωγή καπνού (TSP). Επιτρέπει επίσης την πραγματοποίηση προβλέψεων σχετικά με την εξέλιξη της πυρκαγιάς.

Όλες οι δοκιμές διεξήχθησαν υπό πανομοιότυπες συνθήκες σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5660-1, ώστε να εξασφαλίζεται άμεση και ουσιαστική συγκρισιμότητα.

Κάθε ένα από τα υπό εξέταση μονωτικά υλικά (σχήμα 2) μετρήθηκε επανειλημμένα με μεμονωμένα δείγματα.

Το πεδίο εφαρμογής των δοκιμών περιγράφεται λεπτομερώς στον πίνακα 1 και οι συνθήκες μέτρησης παρατίθενται στον πίνακα 2. Κάθε δείγμα των διαφόρων μονωτικών υλικών μετρήθηκε ανεξάρτητα και υπό πανομοιότυπες συνθήκες.

Οι περιβαλλοντικές συνθήκες στο εργαστήριο παρέμειναν σταθερές καθ' όλη τη διάρκεια της σειράς δοκιμών με θερμοκρασία περίπου 24 έως 25°C και σχετική υγρασία 22 έως 23%.

Πίνακας 1: Πεδίο εφαρμογής των δειγμάτων δοκιμής

Πίνακας 2: Συνθήκες μέτρησης

Αποτελέσματα μετρήσεων και συγκριτικές επισκοπήσεις

Όλα τα συμπεράσματα που παρουσιάζονται στην παρούσα ενότητα βασίζονται αποκλειστικά στα αποτελέσματα των μεμονωμένων δειγμάτων που μετρήθηκαν.

Συμπεριφορά ανάφλεξης

Ο χρόνος ανάφλεξης (^TOI1) αξιολογεί πόσο γρήγορα αναφλέγεται ένα υλικό όταν εκτίθεται σε ένα καθορισμένο επίπεδο θερμότητας. Το δείγμα εκτέθηκε σε σταθερή θερμική ακτινοβολία 25 kW/m². Το χρονικό διάστημα από την έναρξη της ακτινοβόλησης έως την πρώτη ορατή εμφάνιση φλογών ορίζεται ως χρόνος ανάφλεξης. Αυτή η χρονική στιγμή εμφανίζεται άμεσα στην αξιολόγηση του λογισμικού του κωνικού θερμιδομέτρου ως τιμή TOI.

Ένας μικρός χρόνος ανάφλεξης υποδεικνύει ότι το υλικό είναι εξαιρετικά εύφλεκτο και απορροφά ενέργεια και θερμαίνεται γρήγορα, με αποτέλεσμα την πρώιμη ανάφλεξη των αέριων προϊόντων πυρόλυσης. Τα πιο ανθεκτικά στη φλόγα υλικά απαιτούν περισσότερη ενέργεια για να θερμανθούν και να υποστούν πυρόλυση, με αποτέλεσμα την καθυστερημένη ανάφλεξη.

Σε όλα τα υλικά που δοκιμάστηκαν, υπάρχει σαφής και συνεπής διαφοροποίηση στη συμπεριφορά ανάφλεξης. Μια σύγκριση μπορεί να βρεθεί στο σχήμα 3.

• Η λευκή παραλλαγή των εξεταζόμενων δειγμάτων έχει τους μικρότερους χρόνους ανάφλεξης και συνεπώς τη χαμηλότερη αντίσταση στη θερμική ακτινοβολία. Αυτό οδηγεί σε μέσο χρόνο ανάφλεξης 414 s.
• Η κόκκινη παραλλαγή έχει μέση αντίσταση ανάφλεξης, αναφλέγεται αργότερα από τη λευκή παραλλαγή αλλά νωρίτερα από τις γκρίζες παραλλαγές. Ο μέσος χρόνος ανάφλεξης εδώ είναι 599 s.
• Οι γκρίζες παραλλαγές παρουσιάζουν σταθερά τους μεγαλύτερους χρόνους ανάφλεξης. Ο υπολογισμένος μέσος χρόνος ανάφλεξης είναι 862 s, υποδεικνύοντας αυξημένη αντίσταση στην εφαρμοζόμενη ροή θερμότητας.

Αυτό σημαίνει ότι τα γκρίζα υλικά παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη αντίσταση στην εφαρμοζόμενη θερμική ακτινοβολία.

^1Οχρόνος ανάφλεξης (TOI) ορίζει πόσο γρήγορα συμβαίνει φλεγόμενη καύση σε ένα υλικό. (NTA_Cone_Calorimeter_en_web.pdf, σ. 7).

Ένταση απελευθέρωσης θερμότητας και ανάπτυξη πυρκαγιάς

Ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (^HRR2) είναι μία από τις βασικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της έντασης της πυρκαγιάς. Θεωρείται η κινητήρια δύναμη πίσω από μια πυρκαγιά: όσο υψηλότερος είναι ο HRR, τόσο μεγαλύτερη είναι η αναφλεξιμότητα και ο δυνητικός κίνδυνος πυρκαγιάς.

Ο μέγιστος ρυθμός έκλυσης θερμότητας (peak HRR) υποδεικνύει τη στιγμή που ένα υλικό εκλύει τη μεγαλύτερη θερμότητα, η οποία είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, καθώς συμβάλλει στη γρήγορη και έντονη εξάπλωση της πυρκαγιάς.

Ο μέγιστος HRR επιτρέπει σαφείς και απλές συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών υλικών και συνθέσεων.

Στα σχήματα 4 έως 6 παρουσιάζονται οι καμπύλες μέτρησης του ρυθμού έκλυσης θερμότητας για διάφορα μονωτικά υλικά.

^2Ορυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR) είναι ένα μέτρο της ποσότητας θερμότητας που εκλύεται ανά μονάδα χρόνου κατά την καύση ενός υλικού. (NTA_Fire_Testing_Systems_en_web.pdf σ. 6)

Στον πίνακα 3 παρουσιάζονται οι μέγιστοι ρυθμοί έκλυσης θερμότητας (μέγιστος ^HRR3) των διαφόρων μονωτικών υλικών.

Για τη βελτίωση της συγκρισιμότητας, υπολογίστηκαν οι μέσες τιμές μέγιστου HRR για κάθε παραλλαγή υλικού.

Από τα αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

• λευκή παραλλαγή: περίπου 572 kW/m² → πολύ υψηλή ένταση πυρκαγιάς
• κόκκινη παραλλαγή: περίπου 306 kW/m² → μέση έως πολύ υψηλή ένταση πυρκαγιάς
• γκρίζες παραλλαγές: περίπου 289 kW/m² → μέση ένταση πυρκαγιάς

Έτσι, τα λευκά υλικά παρουσιάζουν την πιο έντονη έκλυση θερμότητας μετά την ανάφλεξη, ενώ οι γκρίζες παραλλαγές χαρακτηρίζονται από χαμηλότερες μέγιστες τιμές HRR.

^3Peak-HRR- Μέγιστος ρυθμός έκλυσης θερμότητας (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)

Πίνακας 3: Σύγκριση της μέγιστης HRR

Ένταση ανάπτυξης πυρκαγιάς

Ο μέγιστος μέσος ρυθμός έκλυσης θερμότητας (^MARHE4) απεικονίζει τις διαφορές στην ένταση ανάπτυξης της πυρκαγιάς, καθώς αντιπροσωπεύει τη χρονικά εξομαλυμένη μέγιστη έκλυση θερμότητας κατά τη διάρκεια της δοκιμής, καθιστώντας δυνατή τη σύγκριση της συμπεριφοράς των διαφόρων υλικών στη φωτιά.

Στο Σχήμα 7 παρουσιάζονται οι τιμές MARHE (μέγιστος μέσος ρυθμός έκλυσης θερμότητας) των διαφόρων δειγμάτων υλικών, που διαφοροποιούνται με βάση το χρώμα: λευκό, κόκκινο και γκρι. Οι τιμές εμφανίζονται ως κατακόρυφες ράβδοι, με την αντίστοιχη ονομασία του δείγματος κάτω από κάθε ράβδο. Οι τιμές MARHE υποδηλώνουν τη μέγιστη μέση έκλυση θερμότητας κατά τη διάρκεια ολόκληρης της δοκιμής πυρκαγιάς.

^4MARHE- Τιμή, (Max. Average Rate of Heat Emission) είναι ο μέγιστος ρυθμός έκλυσης θερμότητας που προσδιορίζεται κατά τη διάρκεια δοκιμής με το θερμιδόμετρο κώνου σύμφωνα με το ISO 5660-1.

Ερμηνεία

• Τα δείγματα της λευκής κατηγορίας παρουσιάζουν κυρίως τιμές MARHE, που κυμαίνονται από 76,7 kW/m² έως 90 kW/m²
• Αρκετά δείγματα παρουσιάζουν τιμές άνω των 80 kW/m², δύο από αυτά μάλιστα κοντά στα 90 kW/m².

→ Τα λευκά υλικά έχουν τις υψηλότερες τιμές MARHE, που αντιπροσωπεύουν την πιο κρίσιμη συμπεριφορά πυρκαγιάς, η οποία αντιστοιχεί στις υψηλές μέγιστες τιμές HRR και υποδηλώνει ταχεία ανάπτυξη πυρκαγιάς.

• Τα δείγματα της κόκκινης κατηγορίας βρίσκονται στη μεσαία περιοχή και παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις: Τιμές: 56.5 kW/m², 37,7 kW/m², 57,6 kW/m².

→ Τα κόκκινα δείγματα παρουσιάζουν μέτρια υψηλή συμπεριφορά πυρκαγιάς, με κάποιες διακυμάνσεις από δείγμα σε δείγμα.

• Τα δείγματα της γκρίζας κατηγορίας έχουν ως επί το πλείστον τις χαμηλότερες τιμές MARHE, αλλά υπάρχουν επίσης δύο ακραίες τιμές.
• Το κύριο εύρος κυμαίνεται μεταξύ 39 και 60 kW/m².

→ Τα γκρίζα δείγματα έχουν κυρίως τις χαμηλότερες τιμές MARHE, υποδεικνύοντας πιο ελεγχόμενη ανάπτυξη της πυρκαγιάς.

Ανάπτυξη καπνού

Η συνολική ανάπτυξη καπνού (^TSP5) περιγράφει τη συνολική ποσότητα καπνού που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της δοκιμής με κωνικό θερμιδόμετρο σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5660-1 και αποτελεί βασική παράμετρο για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς του καπνού.

Η συνολική ανάπτυξη καπνού διαφέρει σημαντικά μεταξύ των σκευασμάτων (Σχήματα 8 έως 10).

• Όλα τα γκρίζα υλικά φθάνουν στο τελικό τους πλατώ μετά από περίπου 25 λεπτά, παρέχοντας τυπικές τιμές μεταξύ 1650 m² και 1950 m².
• Τα λευκά υλικά επιδεικνύουν μέτρια ολική παραγωγή καπνού, με τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 1450 m² και 1650 m². Το τελικό πλάτωμα επιτυγχάνεται ήδη μετά από 15 λεπτά.
• Οι κόκκινες παραλλαγές παρουσιάζουν τη χαμηλότερη συνολική παραγωγή καπνού από όλα τα υλικά που δοκιμάστηκαν. Οι τιμές φτάνουν στο πλατώ τους μετά από 18 λεπτά μεταξύ 1290 m² και 1350 m².

^{5Η συνολική}παραγωγή καπνού (^TSP) περιγράφει τη συνολική ποσότητα καπνού που παράγεται καθ' όλη τη διάρκεια της πυρκαγιάς (σύμφωνα με το ISO 5660-1)

Περίληψη

Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το TCC 918 Cone Calorimeter TCC 918 δείχνουν σαφώς αναπαραγώγιμες διαφορές στη συμπεριφορά των εξεταζόμενων μονωτικών υλικών στη φωτιά.

Ποσοτικές παράμετροι όπως ο χρόνος ανάφλεξης, ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας, η ένταση ανάπτυξης της πυρκαγιάς και η ανάπτυξη καπνού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σαφή χαρακτηρισμό και την άμεση σύγκριση της αναφλεξιμότητας, της δυναμικής της πυρκαγιάς και της συμπεριφοράς του καπνού.

Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφώς τον αντίκτυπο των διαφόρων συνθέσεων υλικών και προσφέρουν μια ισχυρή βάση για την ανάπτυξη υλικών, τη βελτιστοποίηση συνθέσεων και τη συγκριτική αξιολόγηση σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον.