Introducción
El análisis del comportamiento al fuego de los materiales es una parte fundamental de la ingeniería de seguridad. El calorímetro de cono TCC 918 (figura 1) es un dispositivo de ensayo bien establecido que se utiliza para determinar parámetros clave como la tasa de liberación de calor (HRR), la pérdida de masa y las emisiones de humo. La composición química de un material, así como parámetros físicos como la geometría de la muestra y el comportamiento ante el fuego, pueden influir en los resultados de la medición.
De acuerdo con la norma ISO 5660-1, las dimensiones estándar de las probetas de ensayo son 100 mm × 100 mm, con un espesor comprendido entre 6 mm y 50 mm. El objetivo de esta investigación es analizar la influencia del grosor de la muestra en los resultados de las mediciones.
Configuración y condiciones de la prueba
Se investigaron nueve muestras de PMMA con espesores de 7 mm, 14 mm y aproximadamente 19 mm (tres mediciones por espesor).
Las muestras se colocaron en un portamuestras horizontal, que se montó en una célula de pesaje para permitir el registro continuo de la pérdida de masa. El calor se aplicó mediante un calentador eléctrico de cono con una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de flujo térmico constante de 50 kW/m². La ignición se produjo mediante encendedores de chispa una vez que se habían liberado suficientes gases de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis. Los gases de combustión resultantes se analizaron para determinar el caudal másico, la temperatura de los gases de combustión y las concentraciones de O₂, CO₂ y CO. La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad del humo se determinó por transmisión de luz. El sistema de análisis de gases (Siemens Oxymat/ Ultramat) se calibró antes de la serie de mediciones, y el factor C¹ se validó utilizando un quemador de metano. Las condiciones de medición se resumen en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de medición
| Portamuestras | Horizontal |
| Muestras y espesores | PMMA de aprox. 7, 14, 19 mm |
| Flujo de calor | 50 kW/m2 |
| Caudal térmico nominal | 24.0 l/s |
| Distancia al calentador de cono | 25 mm |
1Elfactor C, definido en la norma ISO 5660-1, es una constante de calibración utilizada para determinar la tasa de liberación de calor (HRR). Relaciona la señal del analizador de oxígeno con la energía calorífica real liberada.
Resultados de las mediciones
Tiempo de ignición (TOI) y tiempo de combustión hasta la extinción (TOF)
Como era de esperar, el tiempo de ignición (TOI) es el mismo para todas las muestras y es de 22 segundos. Esto sugiere que la ignición está influida principalmente por las propiedades de la superficie más que por el grosor del material.
En cambio, el tiempo de combustión hasta la extinción completa (Time of Flame-off, o TOF) depende claramente del grosor de la muestra. Las muestras de 7 mm ardieron durante una media de 597 segundos; las de 14 mm, durante una media de 857 segundos; y las de 19 mm, durante una media de 1108 segundos (véase la tabla 2). Cabe destacar que, con un aumento uniforme del grosor de la muestra, también se observaron diferencias temporales uniformes en el TOF. Esto permite derivar una relación casi lineal entre el TOF y el grosor de la muestra, lo que permite una interpolación sencilla para grosores mayores.
Cuadro 2: Tiempos medios de ignición y combustión hasta la extinción
| Espesor de las muestras | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Desprendimiento de calor (HRR, THR)
El aspecto clave del análisis es la tasa de liberación de calor (HRR), que se define como la cantidad de calor liberado por unidad de tiempo.
La figura 2 muestra las curvas HRR para muestras de PMMA de diferentes espesores: 7 mm (azul), 14 mm (verde) y 19 mm (rojo). La evaluación de la HRR revela claras diferencias entre los espesores de las muestras.
Aunque la HRR máxima es comparable para todos los grosores de muestra (~880 kW/m²), el punto en el que se produce se desplaza sistemáticamente a un momento posterior a medida que aumenta el grosor de la muestra. Esto era de esperar, ya que los materiales más gruesos necesitan más tiempo para calentarse completamente y someterse a PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis. En las muestras más finas, los componentes volátiles se liberan antes.
El calor total liberado (THR) durante la combustión corresponde a la integral de la HRR en el tiempo. La figura 3 muestra las curvas de THR. Como era de esperar, los valores de THR aumentan con el grosor de la muestra.
La figura 4 muestra la relación lineal entre el espesor de la muestra y a) el tiempo del máximo de HRR y b) la liberación total de calor. La correlación confirma que, con una combustión completa, la THR viene determinada esencialmente por la cantidad de material utilizado. La relación lineal entre el grosor de la muestra, el tiempo de combustión hasta la extinción completa (TOF) y la THR indica que todas las muestras se convirtieron casi por completo. Dos mediciones individuales con espesores de muestra diferentes pueden convertirse fácilmente en los valores correspondientes para otros espesores de muestra.
Producción de humo (SPR, TSP)
Otro aspecto importante de la investigación es el registro del desarrollo del humo. Esto se consigue midiendo la transmisión de luz en el flujo de gases de combustión. Se guía un rayo láser a través del tubo de escape (véase la figura 5). La disminución de la transmisión indica un aumento de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad del humo.
De forma similar a la HRR, se observó que se tardaba más tiempo en alcanzar el índice máximo de producción de humo (SPR) a medida que aumentaba el grosor de la muestra. Como puede verse en la figura 6, las curvas SPR muestran que las muestras más finas liberan rápidamente large cantidades de humo, mientras que las muestras más gruesas liberan humo durante un período de tiempo más largo. Esto refleja el retraso del proceso de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis, por el que las muestras más gruesas tardan más en descomponerse completamente.
La producción total de humo (TSP), mostrada en la figura 7, aumenta al aumentar el grosor de la muestra, como era de esperar.
La figura 8 muestra la relación casi lineal entre el espesor de la muestra y la TSP. Esto confirma que, una vez que la masa de la muestra se ha convertido por completo, la producción total de humo viene determinada esencialmente por la cantidad de material presente.
Resumen
El espesor de la muestra influye considerablemente en los parámetros del fuego en el calorímetro de cono. Mientras que el tiempo de ignición permanece prácticamente constante, el tiempo de combustión, el THR y el TSP aumentan casi linealmente con el aumento del espesor de la muestra.
Estos resultados ponen de relieve la importancia de utilizar siempre espesores de muestra idénticos en los ensayos comparativos de materiales para garantizar resultados fiables y comparables. Gracias a la linealidad observada, los resultados de las mediciones basadas en sólo dos espesores también pueden transferirse a otros espesores mediante una simple interpolación o extrapolación.
Dado que en la práctica a menudo se utilizan materiales de diferentes espesores para las mismas aplicaciones, es sensato realizar ensayos en condiciones específicas de la aplicación, como con espesores típicos de componentes o situaciones reales de instalación, para lograr una evaluación realista de la protección contra incendios. Esta es la única manera de evaluar de forma fiable el comportamiento real ante el fuego y realizar una selección de materiales bien fundamentada.