Bevezetés
A polivinil-kloridot (PVC) számos olyan alkalmazásban használják, ahol fokozott tűzvédelmi követelmények érvényesülnek, például elektromos kábelek, építőipari termékek és műszaki műanyag alkatrészek esetében. Magas klórtartalma miatt a PVC viszonylag jó belső égésgátlást mutat, valamint a termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás során a hőBomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás során a többi hőre lágyuló műanyaghoz képest jól elkülönülő maradványképződéssel rendelkezik.
Tűz esetén azonban a füstképződés különleges biztonsági kihívást jelent. A sűrű füst jelentősen ronthatja a látási viszonyokat és megnehezítheti az evakuálási erőfeszítéseket.
Továbbá a füstben lévő gáz- és részecske bomlástermékek egészségügyi kockázatot jelenthetnek az emberekre és a mentőszemélyzetre.
A füstképződés célzott csökkentése érdekében a PVC-anyagok összetételét gyakran gondosan beállítják.
Az ISO 5660-1 szabvány szerinti kúpkalorimetria az egyik bevett módszer az anyagok tűzzel kapcsolatos viselkedésének mennyiségi értékelésére. A tűzfolyamatok kísérleti elemzésének egyik legmegbízhatóbb laboratóriumi módszerének tekinthető, amely reprodukálható paramétereket szolgáltat a gyújtási viselkedés, a hőfelszabadulás, a füstképződés és a tömegveszteség tekintetében meghatározott hőáramlási körülmények között.
Ez az alkalmazási közlemény négy PVC-alapú anyag vizsgálati eredményeit mutatja be. Az egyik minta referenciaként szolgál, míg az A, B és C változatok a füstképződés csökkentésére tervezett módosított formulákat képviselik. A tanulmány célja, hogy összehasonlítsa ezen anyagok tűz- és füstviselkedését azonos vizsgálati körülmények között, kúpkalorimetria segítségével.
Mérési feltételek
A vizsgálatokat a NETZSCH TCC 918 Cone-kaloriméterrel végezték (lásd az 1. ábrát) az ISO 5660-1 szabványnak megfelelően. Ez egy jól bevált vizsgálati eszköz a tűz viselkedésének kísérleti elemzésére meghatározott hőáramlási körülmények között.
A próbatesteket vízszintesen helyezték el, és 50 kW/m² állandó hőáramlási sűrűségnek tették ki. A mérés során folyamatosan rögzítették a hőfelszabadulási sebességet (HRR)1, a tömegveszteséget és a füstképződést leíró paramétereket, különösen a füstképződési sebességet (SPR) és a teljes füstfelszabadulást (TSR).
A legfontosabb vizsgálati paramétereket az 1. táblázat foglalja össze.
1Ahőfelszabadulási sebesség a tűz intenzitását és a hőfelszabadulás sebességét (kW/m²) méri.
Táblázat: Mérési feltételek
| Mintatartó | Vízszintes |
| Hőáramlás | 50 kW/m2 |
| Névleges hőáramlási sebesség | 24.0 l/s |
| Távolság a kúpos fűtőkészüléktől | 25 mm |
| A minta tömege | 42.8 g - 51,5 g |
A 2. ábra a próbatesteket mutatja a mintatartóban a mérés előtt.
Gyújtási viselkedés és hőfelszabadulás
A vizsgált anyagok mindegyike körülbelül 16 és 20 másodperc közötti időintervallumban gyulladt meg. Ez a gyulladási viselkedés jellemző az 50 kW/m² külső hőáram-sűrűségnek kitett PVC-rendszerekre.
Összességében a hőfelszabadulás mértéke mérsékelt szinten maradt (3. ábra). A fő különbségek a maximális hőfelszabadulási sebességben (HRRmax) mutatkoznak. A referenciaanyagnál a legmagasabb a HRRmax, míg az A változatnál a legalacsonyabb.
Összességében azonban a különbségek korlátozottak, ami azt jelenti, hogy a vizsgált PVC-rendszerek alapvető égési viselkedése összehasonlíthatónak tekinthető. Ez arra utal, hogy az anyagmódosítások elsősorban a füst viselkedését befolyásolják, míg az alapvető égési folyamatok nagyrészt változatlanok maradnak.
A füsttermelés mint kulcsfontosságú megkülönböztető paraméter
A 4. ábra azt mutatja, hogy a vizsgált anyagok közötti legmarkánsabb különbségek a füsttermelésben mutatkoznak.
A referenciaanyag (fekete görbe) mutatja a legmagasabb teljes füstkibocsátást (TSR2), míg a változat (zöld görbe) különösen a jelentősen alacsonyabb füstkibocsátást. A referenciaanyaghoz képest a teljes füstkibocsátás akár 43%-kal is csökken.
A csökkentett füstkibocsátás javíthatja a láthatóságot tűz esetén, megkönnyítve az evakuálást és a vészhelyzeti reagálást. Valós tűzhelyzetekben az alacsonyabb füsttermelés segíthet a kritikus látási viszonyok hosszabb ideig történő fenntartásában, így meghosszabbítva a rendelkezésre álló evakuálási időt.
A teljes füstkibocsátás mellett a füsttermelési sebesség (SPR) azt is jelzi, hogy a tűz kialakulása során milyen gyorsan szabadul fel a füst. Ez a paraméter a biztonság szempontjából lényeges, mivel befolyásolja, hogy tűz esetén milyen gyorsan alakulhatnak ki kritikus látási viszonyok.
A hasonló gyulladási idők és a hasonló hőfelszabadulási sebességek ellenére az anyagok füstviselkedésükben jelentősen eltérnek egymástól. Az eredmények azt mutatják, hogy célzott anyagmódosításokkal jelentősen csökkenthető a füstkibocsátás anélkül, hogy a PVC-rendszerek alapvető égési viselkedése lényegesen megváltozna.
a2TSR(teljes füstkibocsátás) az égés során keletkező füst kumulatív mennyiségére utal, és a Bouguer-Lambert-törvény szerinti fénycsillapítás alapján értékelt lézerfény-átbocsátás méréséből származik.
Tömegveszteség
A relatív tömegveszteség leírja az anyagok hőBomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását a tűznek való kitettség során, és lehetővé teszi a bomlási viselkedésükre vonatkozó következtetések levonását.
A referenciaanyag mutatja a legnagyobb relatív tömegveszteséget, 23,95%-ot. Ezzel szemben az A-tól C-ig terjedő változatok nagyon hasonló, körülbelül 16,45%-os értékeket mutatnak (5. ábra).
A tömegveszteséggörbék időfüggő görbéje általában hasonló, ami arra utal, hogy az anyagok hasonló módon mennek keresztül a termikus bomláson. A módosított változatok alacsonyabb tömegvesztesége azonban nagyobb maradékképződésre utal az égés során.
A nagyobb maradékképződés csökkentheti az illékony pirolízistermékek mennyiségét, és így befolyásolhatja a füstképződést. A kifejezett maradékképződés jellemző a PVC-rendszerekre, és gyakran szervetlen komponensekkel, valamint elszenesedési folyamatokkal hozható összefüggésbe a tűznek való kitettség során.
A minták állapota a mérés után
A mérések befejeztével a minták egyértelmű különbségeket mutattak a maradék maradékok szerkezetében és stabilitásában (lásd a 6. ábrát). Bár minden anyagon jellegzetes elszenesedés volt megfigyelhető, a maradékok kiterjedése és felületi szerkezete különbözött a referenciaanyag és a módosított változatok között.
Ezek a különbségek tükrözik az anyag lebomlásában és füstkibocsátásában korábban megfigyelt eltéréseket. A módosított változatok néha tömörebb maradványszerkezetet mutatnak, ami valószínűleg megváltozott hőbomlásra és a maradék anyag nagyobb mértékű stabilizálódására utal a tűznek való kitettség során. Ezek a megfigyelések összhangban vannak a tömegveszteség és a füstkibocsátás korábban tárgyalt különbségeivel.
Összefoglaló
A kúpkalorimetria jelentős különbségeket mutatott ki a vizsgált PVC-anyagok füstviselkedésében, míg a gyulladási viselkedés és a hőfelszabadulási sebesség azonos vizsgálati körülmények között nagyjából hasonló maradt. Minden anyag körülbelül 16 és 20 másodperc közötti időtartományban gyulladt meg, és mérsékelt hőfelszabadulási sebességet mutatott.
A vizsgált anyagok között a legjelentősebb különbség a füstfejlődésben volt megfigyelhető. Különösen a B változat mutatott jelentősen csökkentett teljes füstfelszabadulást, a referenciaanyaghoz képest akár 43%-os csökkenést is elérve. A csökkentett füstkibocsátás javíthatja a láthatóságot tűz esetén, megkönnyítve az evakuálási eljárásokat és a mentőszemélyzet munkáját.
A módosított változatok a referenciaanyaghoz képest alacsonyabb tömegveszteséget is mutattak. Ez arra utal, hogy az égés során nagyobb mértékű maradékképződés alakul ki, ami az illékony bomlástermékek kisebb mértékű felszabadulásával, és így kisebb füstképződéssel járhat együtt.
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az anyagösszetétel célzott módosítása jelentősen befolyásolhatja a PVC-rendszerek tűz- és füstviselkedését. A kúpkalorimetria lehetővé teszi a kulcsfontosságú tűzparaméterek reprodukálható, mennyiségi jellemzését meghatározott vizsgálati körülmények között.
A NETZSCH kúpkaloriméter TCC 918 így hatékony módszert kínál a különböző anyagformulációk összehasonlító értékeléséhez, és támogatja a polimeranyagok tűz- és füstviselkedésének optimalizálására irányuló fejlesztési folyamatokat.