Συγκριτική ανάλυση της παραγωγής καπνού σε τροποποιημένα υλικά PVC με το θερμιδόμετρο κώνου TCC 918

Εισαγωγή

Το χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC) χρησιμοποιείται σε πολυάριθμες εφαρμογές όπου ισχύουν αυξημένες απαιτήσεις πυρασφάλειας, όπως ηλεκτρικά καλώδια, οικοδομικά προϊόντα και μηχανικά πλαστικά εξαρτήματα. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς του σε χλώριο, το PVC παρουσιάζει σχετικά καλή εγγενή επιβράδυνση φλόγας μαζί με διακριτό σχηματισμό υπολειμμάτων κατά τη θερμική αποσύνθεση σε σύγκριση με πολλά άλλα θερμοπλαστικά.

Ωστόσο, η δημιουργία καπνού αποτελεί ιδιαίτερη πρόκληση για την ασφάλεια σε περίπτωση πυρκαγιάς. Ο πυκνός καπνός μπορεί να μειώσει σημαντικά την ορατότητα και να περιπλέξει τις προσπάθειες εκκένωσης.

Επιπλέον, τα αέρια και σωματιδιακά προϊόντα αποσύνθεσης που περιέχονται στον καπνό μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την υγεία των ανθρώπων και του προσωπικού έκτακτης ανάγκης.

Για να μειωθεί ειδικά η παραγωγή καπνού, η σύνθεση των υλικών PVC συχνά προσαρμόζεται προσεκτικά.

Η θερμιδομετρία κώνου σύμφωνα με το ISO 5660-1 είναι μία από τις καθιερωμένες μεθόδους για την ποσοτική αξιολόγηση της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά. Θεωρείται μία από τις πιο ουσιαστικές εργαστηριακές μεθόδους για την πειραματική ανάλυση των διεργασιών πυρκαγιάς, παρέχει αναπαραγώγιμες παραμέτρους για τη συμπεριφορά ανάφλεξης, την έκλυση θερμότητας, την παραγωγή καπνού και την απώλεια μάζας υπό καθορισμένες συνθήκες ροής θερμότητας.

Το παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τα αποτελέσματα της δοκιμής για τέσσερα υλικά με βάση το PVC. Το ένα δείγμα χρησιμεύει ως σημείο αναφοράς, ενώ οι παραλλαγές A, B και C αντιπροσωπεύουν τροποποιημένες συνθέσεις που έχουν σχεδιαστεί για τη μείωση της παραγωγής καπνού. Στόχος της μελέτης είναι η σύγκριση της συμπεριφοράς των υλικών αυτών στη φωτιά και στον καπνό υπό πανομοιότυπες συνθήκες δοκιμής με τη χρήση θερμιδομετρίας κώνου.

Συνθήκες μέτρησης

Οι δοκιμές διεξήχθησαν με το θερμιδόμετρο κώνου NETZSCH TCC 918 (βλέπε σχήμα 1) σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5660-1. Πρόκειται για μια καθιερωμένη συσκευή δοκιμών για τη διενέργεια πειραματικών αναλύσεων της συμπεριφοράς της πυρκαγιάς υπό καθορισμένες συνθήκες ροής θερμότητας.

Τα δοκίμια τοποθετήθηκαν οριζόντια και υποβλήθηκαν σε σταθερή πυκνότητα ροής θερμότητας 50 kW/m². Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, καταγράφονταν συνεχώς ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR⁾¹, η απώλεια μάζας και οι παράμετροι που περιγράφουν την παραγωγή καπνού, ιδίως ο ρυθμός παραγωγής καπνού (SPR) και η συνολική έκλυση καπνού (TSR).

Οι βασικές παράμετροι της δοκιμής συνοψίζονται στον πίνακα 1.

^1Ορυθμός έκλυσης θερμότητας είναι ένα μέτρο της έντασης μιας πυρκαγιάς και του ρυθμού με τον οποίο εκλύεται θερμότητα (kW/m²).

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Στο Σχήμα 2 φαίνονται τα δοκίμια στη θήκη δοκιμίων πριν από τη μέτρηση.

Συμπεριφορά ανάφλεξης και έκλυση θερμότητας

Όλα τα δοκιμασθέντα υλικά αναφλέγονταν εντός χρονικού διαστήματος περίπου 16 έως 20 δευτερολέπτων. Αυτή η συμπεριφορά ανάφλεξης είναι τυπική για συστήματα PVC που υποβάλλονται σε εξωτερική πυκνότητα ροής θερμότητας 50 kW/m².

Συνολικά, οι ρυθμοί έκλυσης θερμότητας παραμένουν σε μέτρια επίπεδα (σχήμα 3). Οι κύριες διαφορές είναι εμφανείς στο μέγιστο ρυθμό έκλυσης θερμότητας (_HRRmax). Το υλικό αναφοράς παρουσιάζει το υψηλότερο _HRRmax, ενώ η παραλλαγή Α το χαμηλότερο.

Συνολικά, ωστόσο, οι διαφορές είναι περιορισμένες, πράγμα που σημαίνει ότι η βασική συμπεριφορά καύσης των εξεταζόμενων συστημάτων PVC μπορεί να θεωρηθεί συγκρίσιμη. Αυτό υποδηλώνει ότι οι τροποποιήσεις του υλικού επηρεάζουν κυρίως τη συμπεριφορά του καπνού, ενώ οι βασικές διεργασίες καύσης παραμένουν σε μεγάλο βαθμό αμετάβλητες.

Η παραγωγή καπνού ως βασική παράμετρος διαφοροποίησης

Το Σχήμα 4 δείχνει ότι οι πιο έντονες διαφορές μεταξύ των υλικών που εξετάστηκαν είναι εμφανείς στην παραγωγή καπνού.

Το υλικό αναφοράς (μαύρη καμπύλη) παρουσιάζει την υψηλότερη συνολική έκλυση καπνού (^TSR2), ενώ η παραλλαγή (πράσινη καμπύλη), ειδικότερα, παρουσιάζει σημαντικά χαμηλότερη εκπομπή καπνού. Σε σύγκριση με το υλικό αναφοράς, η συνολική έκλυση καπνού μειώνεται έως και κατά 43% περίπου.

Η μειωμένη έκλυση καπνού μπορεί να βελτιώσει την ορατότητα σε περίπτωση πυρκαγιάς, διευκολύνοντας τις προσπάθειες εκκένωσης και αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης. Σε πραγματικές περιπτώσεις πυρκαγιάς, η χαμηλότερη παραγωγή καπνού μπορεί να συμβάλει στη διατήρηση κρίσιμων συνθηκών ορατότητας για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επεκτείνοντας έτσι τον διαθέσιμο χρόνο εκκένωσης.

Εκτός από τη συνολική έκλυση καπνού, ο ρυθμός παραγωγής καπνού (SPR) δείχνει πόσο γρήγορα απελευθερώνεται καπνός κατά την ανάπτυξη μιας πυρκαγιάς. Αυτή η παράμετρος έχει σημασία για την ασφάλεια, καθώς επηρεάζει το πόσο γρήγορα μπορούν να δημιουργηθούν κρίσιμες συνθήκες ορατότητας σε περίπτωση πυρκαγιάς.

Παρά τους συγκρίσιμους χρόνους ανάφλεξης και τους παρόμοιους ρυθμούς έκλυσης θερμότητας, τα υλικά διαφέρουν σημαντικά ως προς τη συμπεριφορά τους στον καπνό. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι οι στοχευμένες τροποποιήσεις των υλικών μπορούν να μειώσουν σημαντικά την έκλυση καπνού χωρίς να μεταβάλλουν ουσιαστικά τη θεμελιώδη συμπεριφορά καύσης των συστημάτων PVC.

^{η 2TSR}(συνολική έκλυση καπνού) αναφέρεται στη σωρευτική ποσότητα καπνού που παράγεται κατά την καύση και προκύπτει από μετρήσεις της διαπερατότητας του φωτός με λέιζερ, η οποία αξιολογείται με βάση την εξασθένηση του φωτός σύμφωνα με το νόμο Bouguer-Lambert.

Απώλεια μάζας

Η σχετική απώλεια μάζας περιγράφει τη θερμική υποβάθμιση των υλικών κατά την έκθεσή τους σε φωτιά και επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη συμπεριφορά αποσύνθεσής τους.

Το υλικό αναφοράς παρουσιάζει την υψηλότερη σχετική απώλεια μάζας, 23,95%. Αντίθετα, οι παραλλαγές Α έως Γ παρουσιάζουν πολύ παρόμοιες τιμές, περίπου 16,45% (σχήμα 5).

Η χρονικά εξαρτώμενη πορεία των καμπυλών απώλειας μάζας είναι γενικά συγκρίσιμη, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα υλικά υφίστανται θερμική αποσύνθεση με παρόμοιο τρόπο. Ωστόσο, η χαμηλότερη απώλεια μάζας των τροποποιημένων παραλλαγών υποδηλώνει μεγαλύτερο σχηματισμό υπολειμμάτων κατά την καύση.

Ο αυξημένος σχηματισμός υπολειμμάτων μπορεί να μειώσει την ποσότητα των πτητικών προϊόντων πυρόλυσης και συνεπώς να επηρεάσει τη δημιουργία καπνού. Ο έντονος σχηματισμός υπολειμμάτων είναι χαρακτηριστικό των συστημάτων PVC και συχνά συνδέεται με ανόργανα συστατικά, καθώς και με διαδικασίες απανθράκωσης, κατά τη διάρκεια της έκθεσης σε φωτιά.

Κατάσταση των δειγμάτων μετά τη μέτρηση

Μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων, τα δείγματα παρουσίασαν σαφείς διαφορές στη δομή και τη σταθερότητα των εναπομεινάντων υπολειμμάτων (βλέπε σχήμα 6). Ενώ όλα τα υλικά παρουσίασαν χαρακτηριστική απανθράκωση, η έκταση και η επιφανειακή δομή των υπολειμμάτων διέφερε μεταξύ του υλικού αναφοράς και των τροποποιημένων παραλλαγών.

Οι διαφορές αυτές αντικατοπτρίζουν τις διαφοροποιήσεις που παρατηρήθηκαν προηγουμένως στην αποικοδόμηση του υλικού και στην εκπομπή καπνού. Ειδικότερα, οι τροποποιημένες παραλλαγές παρουσιάζουν μερικές φορές πιο συμπαγείς δομές υπολειμμάτων, υποδηλώνοντας ενδεχομένως τροποποιημένη θερμική αποσύνθεση και μεγαλύτερη σταθεροποίηση του εναπομείναντος υλικού κατά την έκθεση στη φωτιά. Οι παρατηρήσεις αυτές συνάδουν με τις διαφορές που συζητήθηκαν προηγουμένως στην απώλεια μάζας και στην έκλυση καπνού.

Περίληψη

Η θερμιδομετρία κώνου αποκάλυψε σημαντικές διαφορές στη συμπεριφορά καπνού των εξεταζόμενων υλικών PVC, ενώ η συμπεριφορά ανάφλεξης και οι ρυθμοί έκλυσης θερμότητας παρέμειναν σε μεγάλο βαθμό συγκρίσιμοι υπό πανομοιότυπες συνθήκες δοκιμής. Όλα τα υλικά αναφλέγονταν εντός χρονικού εύρους περίπου 16 έως 20 δευτερολέπτων και παρουσίαζαν μέτριους ρυθμούς έκλυσης θερμότητας.

Η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ των υλικών που εξετάστηκαν παρατηρήθηκε στην ανάπτυξη καπνού. Συγκεκριμένα, η παραλλαγή Β παρουσίασε σημαντικά μειωμένη συνολική έκλυση καπνού, επιτυγχάνοντας μείωση έως και 43% σε σύγκριση με το υλικό αναφοράς. Η μειωμένη εκπομπή καπνού μπορεί να βελτιώσει την ορατότητα σε περίπτωση πυρκαγιάς, διευκολύνοντας τις διαδικασίες εκκένωσης και το έργο του προσωπικού έκτακτης ανάγκης.

Οι τροποποιημένες παραλλαγές παρουσίασαν επίσης χαμηλότερες τιμές απώλειας μάζας από το υλικό αναφοράς. Αυτό υποδηλώνει αυξημένο σχηματισμό υπολειμμάτων κατά την καύση, ο οποίος μπορεί να σχετίζεται με χαμηλότερη απελευθέρωση πτητικών προϊόντων αποσύνθεσης και, συνεπώς, με μειωμένη παραγωγή καπνού.

Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν ότι οι στοχευμένες προσαρμογές στη σύνθεση του υλικού μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη συμπεριφορά των συστημάτων PVC ως προς τη φωτιά και τον καπνό. Η θερμιδομετρία κώνου επιτρέπει τον αναπαραγώγιμο, ποσοτικό χαρακτηρισμό βασικών παραμέτρων πυρκαγιάς υπό καθορισμένες συνθήκες δοκιμής.

Το NETZSCH κωνικό θερμιδόμετρο TCC 918 προσφέρει έτσι μια ισχυρή μέθοδο για τη συγκριτική αξιολόγηση διαφορετικών συνθέσεων υλικών και υποστηρίζει διαδικασίες ανάπτυξης που αποσκοπούν στη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς των πολυμερών υλικών στη φωτιά και τον καπνό.