Polymeerisen vertailumateriaalin ja sen modifioitujen varianttien palokäyttäytyminen ” TCC 918 ”-kartiokalorimetrissä

Johdanto

Palotestit ovat ratkaisevassa asemassa henkilöturvallisuuden varmistamisessa, lakisääteisten vaatimusten täyttämisessä ja mahdollisten omaisuusvahinkojen minimoimisessa, sillä niissä arvioidaan materiaalien ja järjestelmien käyttäytymistä palo-olosuhteissa. Hallituissa testeissä varmistetaan, kestävätkö tuotteet kuumuutta, rajoittavatko ne palon leviämistä ja takaavatko ne kriittisten rakennusjärjestelmien, kuten palohälytys- ja sammutusjärjestelmien, luotettavan toiminnan hätätilanteessa.

Palotestit vahvistavat myös kansallisten ja kansainvälisten paloturvallisuusstandardien noudattamisen, mikä on rakennuslupien ja tuotetodistusten saamisen välttämätön edellytys. Samalla arvioidaan materiaalien ja suojajärjestelmien todellista suorituskykyä sen varmistamiseksi, että ne antavat riittävästi aikaa turvalliseen evakuointiin ja rajoittavat tulipalon vaikutuksia.

TCC-menetelmä

Tutkittiin polymeeripohjaista vertailumateriaalia. Osana kehityshanketta valmistettiin useita variantteja, joihin oli tehty kohdennettuja materiaalimuutoksia, jotta voitiin systemaattisesti analysoida niiden vaikutusta keskeisiin palokäyttäytymisparametreihin.

Tutkimuksessa keskityttiin selvittämään, missä määrin paloturvallisuuteen liittyvät parametrit muuttuvat vertailumateriaaliin verrattuna, sekä tunnistamaan näiden parametrien välisiä korrelaatioita.

Kokeellisessa tutkimuksessa käytettiin palon leviämisen mittausmenetelmää ( TCC 918, kuva 1). Tämän menetelmän avulla voidaan määrittää samanaikaisesti useita paloturvallisuuteen liittyviä parametreja, kuten:

• Syttymisaika (TOI)
• Suurin lämmönvapautumisnopeus (_HHRmax)
• Savun kokonaispäästö (TSR)
• Palamisen aikainen massahäviö

Kartiokalorimetrian avulla voidaan siten luonnehtia kattavasti polymeeripohjaisten materiaalien palokäyttäytymistä määritellyissä ja toistettavissa palo-olosuhteissa.

Lämmönvapautumisnopeuden määrittäminen perustuu hapenkulutusperiaatteeseen, jossa vapautunut lämpö lasketaan palokaasujen mitatun hapenkulutuksen perusteella.

Mittausolosuhteet

Mittaukset suoritettiin NETZSCH TCC 918 -valmistajan kartiokalorimetrillä standardin ISO 5660-1 mukaisesti. Mittausparametrit on lueteltu taulukossa 1.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Näytteet sijoitettiin vaakasuoraan näytetelineeseen, ja niihin kohdistettiin 50 kW/m²:n vakiolämpövirtaustiheys. Tämä lämpökuorma vastaa tyypillistä palotilannetta, mikä mahdollistaa palokäyttäytymisen realistisen arvioinnin.

Mittauksen aikana lämmönvapautumisnopeutta, savunmuodostusta ja massahäviötä mitattiin jatkuvasti.

Testisarjaan sisältyivät seuraavat materiaalit:

• Vakiomateriaali
• Kehitysvaihtoehdot A, B, C ja D

Kaikki näytteet olivat polymeeripohjaisia materiaaleja, joiden geometriset ominaisuudet olivat seuraavat:

• Pinta-ala: 100 x 100 mm
• Paksuus: 3,3–3,9 mm
• Massa: 53–62 g

Vaikka materiaalin perusta on kaikissa tapauksissa vertailukelpoinen, variantteja on muokattu erityisesti. Kuvassa 2 näkyvät näytteet näytetelineessä ennen mittausta.

Mittaustulokset

Sytytyskäyttäytyminen – viive kehitystavoitteena

Mitatut syttymisajat (^TOI1) vaihtelivat välillä 69–86 sekuntia.

Variantti A:n syttymisaika oli pisin, 86 s, kun taas vakiomateriaali sijoittui testattujen materiaalien keskivaiheille.

Tulokset osoittavat, että kohdennetut muutokset voivat parantaa syttymiskestävyyttä. Pidempi syttymisaika tarkoittaa, että materiaali siirtyy itsestään jatkuvaan palamiseen myöhemmässä vaiheessa samanlaisessa lämpökuormituksessa.

^1TOI(Time to Ignition): Aika lämmön vapautumisen alkamisesta näytteen syttymiseen.

Lämmönvapautuminen – standardi on edelleen vertailukohta

Suurimmat lämmönvapautumisnopeudet (^HRRmax2) olivat välillä 102–128^kW/m² (ks. kuva 3).

Standardimateriaalilla oli alhaisin suurin lämmönvapautumisnopeus, kun taas kehitysversioilla A–D_HRRmax-arvot olivat vertailukelpoisia tai hieman korkeampia.

Maksimilämpöluovutusarvoissa ei havaittu lisävähennystä vertailumateriaaliin verrattuna. Maksimilämpöluovutuksen osalta standardimateriaali pysyy siten vertailukohteena.

Vaikka syttymiskäyttäytymisessä ja suurimmassa lämmönluovutuksessa havaittiin vain kohtalaisia eroja, materiaalien välillä ilmeni selvempiä eroja savunmuodostuksessa.

_2HRRmax: Suurin lämmönvapautumisnopeus; testin aikana mitattu suurin HRR-arvo ja palon suurimman intensiteetin parametri.

Savun muodostuminen – Selkeä ero

Kuten kuvasta 4 käy ilmi, materiaalien väliset suurimmat erot näkyvät savuntuotannossa.

Vakiomateriaalilla on pienin kokonaissavunmuodostus (^TSR3). Vaihtoehdossa C savuntuotto on suurin, kun taas vaihtoehdot A, B ja D sijoittuvat keskitasolle.

^3TSR(Total Smoke Release): Testin aikana vapautuneen savun kokonaismäärä; integroitu parametri, jolla arvioidaan savuntuotantoa määrällisesti koko palon keston ajan.

Nämä tulokset osoittavat, että yksittäisten parametrien, kuten syttymisajan, parantaminen ei välttämättä vähennä savun muodostumista. Siksi polymeerimateriaalien palokäyttäytyminen on moniulotteinen optimointiongelma, jossa materiaalin koostumuksen muutokset voivat vaikuttaa eri tavoin syttymiskäyttäytymiseen, lämmönvapautumiseen ja savun muodostumiseen.

Massahäviö – Vertailukelpoiset hajoamismekanismit

Mittauksen aikana suhteellinen massahäviö vaihteli välillä 14–21 % (ks. kuva 5). Tulosten esittäminen suhteellisena massahäviönä mahdollistaa hajoamisprofiilien suoran vertailun huolimatta näytteiden massan pienistä eroista. Tutkittujen varianttien välillä on vain vähäisiä eroja materiaalin hajoamisen ajallisessa kulussa. Samankaltaiset käyräprofiilit viittaavat siihen, että kaikki materiaalit hajoavat lämpöhajoamisen ja palamisen kautta vertailukelpoisella tavalla. Vertailumateriaalin massahäviö on hieman pienempi palamisen alussa, ja käyrät lähentyvät prosessin edetessä.

Määritä näyte mittauksen jälkeen

Mittausten päätyttyä kaikissa materiaaleissa havaittiin merkittävää jäännösten muodostumista (kuva 6). Jäännösten rakenteessa, eheydessä ja pintaominaisuuksissa havaitut erot korreloivat palamisprofiilissa havaittujen vaihteluiden kanssa.

Yhteenveto

NETZSCH:n ( TCC 918 ) avulla toteutettava kartiokalorimetria mahdollistaa lämmönvapautumisen, savunmuodostuksen ja massahäviön samanaikaisen mittaamisen, mikä tarjoaa kattavan kokeellisen perustan polymeerimateriaalien palokäyttäytymisen arvioimiseksi ja optimoimiseksi.

Polymeeripohjaisen vertailumateriaalin eri varianttien tutkiminen paljastaa merkittäviä eroja yksittäisissä palokäyttäytymiseen liittyvissä parametreissa.

Testatuista materiaaleista variantti A saavuttaa pisimmän syttymisajan, 86 s, ja osoittaa siten suurinta syttymiskestävyyttä.

Standardimateriaali on kuitenkin edelleen vertailukohta suurimman lämmönvapautumisnopeuden osalta, sillä sen_HRRmax-arvo on pienin.

Vakiomateriaalilla on myös suotuisimmat savunmuodostusominaisuudet ja pienin kokonaissavunmuodostus, kun taas variantti C tuottaa eniten savua.

Kaikkien materiaalien suhteellinen massahäviö on samankaltaisella 14–11 %:n alueella, mikä viittaa vertailukelpoisiin terminen hajoamismekanismeihin.

Tulokset osoittavat, että kaikkien paloturvallisuuteen liittyvien parametrien samanaikaista optimointia ei ole helppo saavuttaa. Yksittäisten parametrien parantaminen voi aiheuttaa muutoksia muissa paloturvallisuusominaisuuksissa.

Kartiokalorimetrian avulla voidaan tehdä tarkkoja erotteluja jopa läheisesti toisiinsa liittyvien materiaalisekoitusten välillä.