Introduction
L'analyse du comportement au feu des matériaux est un élément clé de l'ingénierie de la sécurité. Le calorimètre à cône TCC 918 (figure 1) est un dispositif d'essai bien établi utilisé pour déterminer des paramètres clés tels que le taux de dégagement de chaleur (HRR), la perte de masse et les émissions de fumée. La composition chimique d'un matériau, ainsi que des paramètres physiques tels que la géométrie de l'échantillon et le comportement au feu, peuvent influencer les résultats des mesures.
Conformément à la norme ISO 5660-1, les dimensions standard des échantillons d'essai sont de 100 mm × 100 mm, avec une épaisseur comprise entre 6 mm et 50 mm. Cette étude vise à analyser l'influence de l'épaisseur de l'échantillon sur les résultats des mesures.
Configuration et conditions de l'essai
Neuf échantillons de PMMA d'une épaisseur de 7 mm, 14 mm et environ 19 mm (trois mesures par épaisseur) ont été étudiés.
Les échantillons ont été placés sur un porte-échantillon horizontal, qui a été monté sur une cellule de pesée pour permettre l'enregistrement continu de la perte de masse. La chaleur a été appliquée à l'aide d'un cône chauffant électrique avec une densité de flux de chaleur constante de 50 kW/m². L'allumage s'est fait à l'aide d'allumeurs à étincelles une fois qu'une quantité suffisante de gaz de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse a été libérée. Les gaz de combustion produits ont été analysés pour déterminer le débit massique, la température des gaz de combustion et les concentrations d'O₂, de CO₂ et de CO. La densité des fumées a été déterminée par transmission de la lumière. Le système d'analyse des gaz (Siemens Oxymat/ Ultramat) a été étalonné avant la série de mesures, et le facteur C¹ a été validé à l'aide d'un brûleur à méthane. Les conditions de mesure sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Porte-échantillon | Horizontal |
| Échantillons et épaisseurs | PMMA d'environ 7, 14, 19 mm |
| Flux de chaleur | 50 kW/m2 |
| Débit de chaleur nominal | 24.0 l/s |
| Distance par rapport au cône de chauffe | 25 mm |
1Lefacteur C, défini dans la norme ISO 5660-1, est une constante d'étalonnage utilisée pour déterminer le taux de dégagement de chaleur (HRR). Il relie le signal de l'analyseur d'oxygène à l'énergie thermique réelle dégagée.
Résultats des mesures
Temps d'inflammation (TOI) et temps de combustion jusqu'à extinction (TOF)
Comme prévu, le délai d'inflammation (TOI) est le même pour tous les échantillons et est de 22 secondes. Cela suggère que l'inflammation est principalement influencée par les propriétés de la surface plutôt que par l'épaisseur du matériau.
En revanche, le temps de combustion jusqu'à l'extinction complète (Time of Flame-off, ou TOF) dépend clairement de l'épaisseur de l'échantillon. Les échantillons de 7 mm ont brûlé en moyenne pendant 597 secondes, ceux de 14 mm pendant 857 secondes et ceux de 19 mm pendant 1108 secondes (voir tableau 2). Notamment, avec une augmentation uniforme de l'épaisseur de l'échantillon, des différences de temps uniformes dans le TOF ont également été observées. Cela permet d'établir une relation presque linéaire entre le TOF et l'épaisseur de l'échantillon, ce qui permet une interpolation simple pour d'autres épaisseurs.
Tableau 2 : Temps moyens d'inflammation et de combustion jusqu'à l'extinction
| Épaisseur de l'échantillon | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Dégagement de chaleur (HRR, THR)
L'aspect clé de l'analyse est le taux de dégagement de chaleur (HRR), qui est défini comme la quantité de chaleur dégagée par unité de temps.
La figure 2 montre les courbes HRR pour des échantillons de PMMA de différentes épaisseurs : 7 mm (bleu), 14 mm (vert) et 19 mm (rouge). L'évaluation du HRR révèle des différences évidentes entre les épaisseurs des échantillons.
Alors que le HRR maximal est comparable pour toutes les épaisseurs d'échantillon (~880 kW/m²), le moment où il se produit se déplace systématiquement vers une date plus tardive à mesure que l'épaisseur de l'échantillon augmente. Cela était prévisible, car les matériaux plus épais ont besoin de plus de temps pour se réchauffer complètement et subir une PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse. Dans les échantillons plus minces, les composants volatils sont libérés plus tôt.
La chaleur totale dégagée (THR) pendant la combustion correspond à l'intégrale du HRR en fonction du temps. La figure 3 montre les courbes THR. Comme prévu, les valeurs THR augmentent avec l'épaisseur de l'échantillon.
La figure 4 montre la relation linéaire entre l'épaisseur de l'échantillon et a) l'heure du maximum du HRR et b) le dégagement total de chaleur. La corrélation confirme qu'en cas de combustion complète, le THR est essentiellement déterminé par la quantité de matériau utilisée. La relation linéaire entre l'épaisseur de l'échantillon, le temps de combustion jusqu'à l'extinction complète (TOF) et le THR indique que tous les échantillons ont été presque entièrement convertis. Deux mesures individuelles avec des épaisseurs d'échantillon différentes peuvent facilement être converties en valeurs correspondantes pour d'autres épaisseurs d'échantillon.
Production de fumée (SPR, TSP)
Un autre aspect important de l'enquête est l'enregistrement du développement des fumées. Pour ce faire, on mesure la transmission de la lumière dans le flux de gaz de combustion. Un faisceau laser est guidé à travers le tuyau d'échappement (voir figure 5). Une diminution de la transmission indique une augmentation de la densité de la fumée.
Comme pour le HRR, on a observé qu'il fallait plus de temps pour atteindre le taux maximal de production de fumée (SPR) lorsque l'épaisseur de l'échantillon augmentait. Comme le montre la figure 6, les courbes SPR montrent que les échantillons plus minces dégagent rapidement des quantités de fumée ( large ), tandis que les échantillons plus épais dégagent de la fumée sur une période plus longue. Cela reflète le retard du processus de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse, les échantillons plus épais mettant plus de temps à se décomposer complètement.
La production totale de fumée (TSP), illustrée à la figure 7, augmente avec l'épaisseur de l'échantillon, comme prévu.
La figure 8 montre la relation presque linéaire entre l'épaisseur de l'échantillon et le PST. Cela confirme qu'une fois que la masse de l'échantillon a été entièrement convertie, la production totale de fumée est essentiellement déterminée par la quantité de matière présente.
Résumé
L'épaisseur de l'échantillon influence considérablement les paramètres du feu dans le calorimètre à cône. Alors que le temps d'inflammation reste largement constant, le temps de combustion, le THR et le TSP augmentent presque linéairement avec l'augmentation de l'épaisseur de l'échantillon.
Ces résultats soulignent l'importance de toujours utiliser des épaisseurs d'échantillon identiques pour les essais comparatifs de matériaux afin de garantir des résultats fiables et comparables. Grâce à la linéarité observée, les résultats de mesure basés sur deux épaisseurs seulement peuvent également être transférés à d'autres épaisseurs par simple interpolation ou extrapolation.
Étant donné que des matériaux d'épaisseurs différentes sont souvent utilisés pour les mêmes applications dans la pratique, il est judicieux d'effectuer des essais dans des conditions spécifiques à l'application, par exemple avec des épaisseurs de composants typiques ou des situations d'installation réelles, afin d'obtenir une évaluation réaliste de la protection contre l'incendie. C'est le seul moyen d'évaluer de manière fiable le comportement réel au feu et de faire des choix de matériaux bien fondés.