Johdanto
Polyvinyylikloridia (PVC) käytetään monissa sovelluksissa, joissa sovelletaan tiukempia paloturvallisuusvaatimuksia, kuten sähkökaapeleissa, rakennustuotteissa ja teknisissä muoviosissa. Korkean klooripitoisuutensa vuoksi PVC:llä on suhteellisen hyvä luontainen palonesto ja sen lämpöhajoamisen aikana muodostuu selvästi jäännöksiä verrattuna moniin muihin kestomuoveihin.
Savunmuodostus on kuitenkin erityinen turvallisuushaaste tulipalon sattuessa. Tiheä savu voi merkittävästi heikentää näkyvyyttä ja vaikeuttaa evakuointia.
Lisäksi savun sisältämät kaasumaiset ja hiukkasmaiset hajoamistuotteet voivat aiheuttaa terveysriskejä ihmisille ja pelastushenkilöstölle.
PVC-materiaalien koostumusta säädetään usein huolellisesti savun muodostumisen vähentämiseksi.
ISO 5660-1 -standardin mukainen kartiokalorimetria on yksi vakiintuneista menetelmistä materiaalien palokäyttäytymisen kvantitatiiviseen arviointiin. Sitä pidetään yhtenä merkittävimmistä laboratoriomenetelmistä paloprosessien kokeellisessa analysoinnissa, ja sillä saadaan toistettavia parametreja syttymiskäyttäytymiselle, lämmön vapautumiselle, savunmuodostukselle ja massahäviölle määritellyissä lämpövirtausolosuhteissa.
Tässä sovellusohjeessa esitetään testitulokset neljälle PVC-pohjaiselle materiaalille. Yksi näyte toimii vertailunäytteenä, kun taas vaihtoehdot A, B ja C edustavat muunnettuja koostumuksia, jotka on suunniteltu vähentämään savunmuodostusta. Tutkimuksen tarkoituksena on vertailla näiden materiaalien palo- ja savukäyttäytymistä identtisissä testiolosuhteissa kartiokalorimetriaa käyttäen.
Mittausolosuhteet
Testit suoritettiin käyttämällä NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter -kalorimetriä (ks. kuva 1) ISO 5660-1 -standardin mukaisesti. Kyseessä on vakiintunut testauslaite, jolla voidaan tehdä kokeellisia analyysejä palokäyttäytymisestä määritellyissä lämpövirtausolosuhteissa.
Koekappaleet asetettiin vaakasuoraan ja niihin kohdistettiin vakiolämpövirran TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys 50 kW/m². Mittauksen aikana kirjattiin jatkuvasti ylös lämmön vapautumisnopeus (HRR)1, massahäviö ja savunmuodostusta kuvaavat parametrit, erityisesti savunmuodostusnopeus (SPR) ja savun kokonaispäästö (TSR).
Keskeiset testiparametrit on esitetty taulukossa 1.
1Lämmönvapautumisnopeus mittaa palon voimakkuutta ja lämmön vapautumisnopeutta (kW/m²).
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Näytteen pidike | Vaakasuora |
| Lämpövirta | 50 kW/m2 |
| Nimellinen lämpövirtausnopeus | 24.0 l/s |
| Etäisyys kartiolämmittimeen | 25 mm |
| Näytteen massa | 42.8 g - 51,5 g |
Kuvassa 2 on näytteet näytetelineessä ennen mittausta.
Syttymiskäyttäytyminen ja lämmön vapautuminen
Kaikki testatut materiaalit syttyivät noin 16-20 sekunnin kuluessa. Tämä syttymiskäyttäytyminen on tyypillistä PVC-järjestelmille, joihin kohdistuu 50 kW/m²:n ulkoinen lämpövirran TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys.
Kaiken kaikkiaan lämmön vapautumisnopeudet pysyivät kohtalaisella tasolla (kuva 3). Suurimmat erot näkyvät suurimmassa vapautuvan lämmön määrässä (HRRmax). Vertailumateriaalin HRRmax on korkein, kun taas vaihtoehdon A HRRmax on alhaisin.
Kaiken kaikkiaan erot ovat kuitenkin vähäisiä, joten tutkittujen PVC-järjestelmien peruspalamiskäyttäytymistä voidaan pitää vertailukelpoisena. Tämä viittaa siihen, että materiaalimuutokset vaikuttavat ensisijaisesti savukäyttäytymiseen, kun taas palamisen perusprosessit pysyvät suurelta osin muuttumattomina.
Savuntuotto keskeisenä erottautumisparametrina
Kuvasta 4 käy ilmi, että testattujen materiaalien väliset selvimmät erot ilmenevät savuntuottamisessa.
Vertailumateriaalissa (musta käyrä) on suurin savun kokonaispäästö (TSR2), kun taas variantissa (vihreä käyrä) savupäästö on huomattavasti pienempi. Vertailumateriaaliin verrattuna savun kokonaispäästö on vähentynyt jopa noin 43 prosenttia.
Vähentynyt savunmuodostus voi parantaa näkyvyyttä tulipalon sattuessa, mikä helpottaa evakuointia ja hätätilanteiden hoitamista. Todellisissa palotilanteissa pienempi savunmuodostus voi auttaa säilyttämään kriittiset näkyvyysolosuhteet pidempään, mikä pidentää käytettävissä olevaa evakuointiaikaa.
Savun kokonaispäästön lisäksi savuntuottonopeus (SPR) osoittaa, kuinka nopeasti savua vapautuu tulipalon kehittymisen aikana. Tällä parametrilla on merkitystä turvallisuuden kannalta, koska se vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti kriittiset näkyvyysolosuhteet voivat syntyä tulipalon sattuessa.
Vaikka materiaalien syttymisaika ja lämmön vapautumisnopeus ovat vertailukelpoisia, niiden savukäyttäytyminen eroaa merkittävästi toisistaan. Tulokset osoittavat, että kohdennetuilla materiaalimuutoksilla voidaan merkittävästi vähentää savun vapautumista ilman, että PVC-järjestelmien palamiskäyttäytyminen muuttuu olennaisesti.
2TSR(kokonaissavun vapautuminen) tarkoittaa palamisen aikana syntyvän savun kumulatiivista määrää, ja se on johdettu laser-valon läpäisykyvyn mittauksista, jotka arvioidaan Bouguer-Lambertin lain mukaisen valon vaimenemisen perusteella.
Massan menetys
Suhteellinen massahäviö kuvaa materiaalien termistä hajoamista tulipalolle altistumisen aikana, ja sen avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä niiden hajoamiskäyttäytymisestä.
Vertailumateriaalin suhteellinen massahäviö on suurin, 23,95 %. Sitä vastoin vaihtoehdoilla A-C on hyvin samankaltaiset arvot, noin 16,45 % (kuva 5).
Massahäviökäyrien ajasta riippuvainen käyrästö on yleisesti ottaen vertailukelpoinen, mikä viittaa siihen, että materiaalit hajoavat termisesti samalla tavalla. Muokattujen muunnosten pienempi massahäviö viittaa kuitenkin siihen, että palamisen aikana muodostuu enemmän jäännöksiä.
Lisääntynyt jäännöksen muodostuminen voi vähentää haihtuvien pyrolyysituotteiden määrää ja siten vaikuttaa savun muodostumiseen. Voimakas jäännöksen muodostuminen on tyypillistä PVC-järjestelmille, ja se liittyy usein epäorgaanisiin komponentteihin sekä hiiltymisprosesseihin palon aikana.
Näytteiden kunto mittauksen jälkeen
Mittausten päätyttyä näytteissä oli selviä eroja jäljellä olevien jäämien rakenteessa ja stabiilisuudessa (ks. kuva 6). Kaikissa materiaaleissa esiintyi tyypillistä hiiltymistä, mutta jäänteiden laajuus ja pintarakenne erosivat vertailumateriaalin ja muunnettujen muunnosten välillä.
Nämä erot heijastavat aiemmin havaittuja eroja materiaalin hajoamisessa ja savupäästöissä. Muunnetuissa muunnoksissa oli toisinaan tiiviimpiä jäännösrakenteita, mikä saattaa viitata muuttuneeseen termiseen hajoamiseen ja jäljelle jääneen materiaalin parempaan stabiloitumiseen tulipalon aikana. Nämä havainnot ovat johdonmukaisia aiemmin käsiteltyjen massahäviön ja savun vapautumisen erojen kanssa.
Yhteenveto
Kartiokalorimetria osoitti merkittäviä eroja tutkittujen PVC-materiaalien savukäyttäytymisessä, mutta syttymiskäyttäytyminen ja lämmön vapautumisnopeudet pysyivät pitkälti vertailukelpoisina samanlaisissa testiolosuhteissa. Kaikki materiaalit syttyivät noin 16-20 sekunnin kuluessa, ja niiden lämmön vapautumisnopeus oli kohtalainen.
Merkittävin ero testattujen materiaalien välillä havaittiin savun kehityksessä. Erityisesti muunnos B vähensi savun kokonaispäästöä merkittävästi, jopa 43 prosenttia vertailumateriaaliin verrattuna. Vähentynyt savupäästö voi parantaa näkyvyyttä tulipalon sattuessa, mikä helpottaa evakuointimenettelyjä ja pelastushenkilöstön työtä.
Muokattujen muunnosten massahäviöarvot olivat myös vertailumateriaalia alhaisemmat. Tämä viittaa siihen, että palamisen aikana muodostuu enemmän jäännöksiä, mikä voi liittyä haihtuvien hajoamistuotteiden vähäisempään vapautumiseen ja siten vähäisempään savunmuodostukseen.
Nämä tulokset osoittavat, että materiaalikoostumuksen kohdennetuilla muutoksilla voidaan vaikuttaa merkittävästi PVC-järjestelmien palo- ja savukäyttäytymiseen. Kartiokalorimetria mahdollistaa tärkeimpien paloparametrien toistettavan, kvantitatiivisen karakterisoinnin määritellyissä testiolosuhteissa.
NETZSCH Cone Calorimeter TCC 918 tarjoaa näin ollen tehokkaan menetelmän eri materiaalikoostumusten vertailevaan arviointiin ja tukee kehitysprosesseja, joilla pyritään optimoimaan polymeerimateriaalien palo- ja savukäyttäytymistä.