Introduzione
L'analisi del comportamento al fuoco dei materiali è una parte fondamentale dell'ingegneria della sicurezza. Il calorimetro a cono TCC 918 (figura 1) è un dispositivo di prova consolidato utilizzato per determinare parametri chiave come il tasso di rilascio di calore (HRR), la perdita di massa e le emissioni di fumo. La composizione chimica di un materiale, così come parametri fisici quali la geometria del campione e il comportamento al fuoco, possono influenzare i risultati della misurazione.
Secondo la norma ISO 5660-1, le dimensioni standard dei provini sono 100 mm × 100 mm, con uno spessore compreso tra 6 mm e 50 mm. Questa indagine mira ad analizzare l'influenza dello spessore del campione sui risultati della misurazione.
Impostazione e condizioni del test
Sono stati analizzati nove campioni di PMMA con spessori di 7 mm, 14 mm e circa 19 mm (tre misure per spessore).
I campioni sono stati posizionati su un portacampioni orizzontale, montato su una cella di pesatura per consentire la registrazione continua della perdita di massa. Il calore è stato applicato utilizzando un riscaldatore elettrico a cono con una densità di flusso termico costante di 50 kW/m². L'accensione avveniva tramite accenditori a scintilla una volta che i gas di PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi erano stati rilasciati in quantità sufficiente. I gas di scarico risultanti sono stati analizzati per determinare la portata di massa, la temperatura dei gas di scarico e le concentrazioni di O₂, CO₂ e CO. La densità dei fumi è stata determinata mediante trasmissione della luce. Il sistema di analisi dei gas (Siemens Oxymat/ Ultramat) è stato calibrato prima della serie di misure e il fattore C¹ è stato convalidato utilizzando un bruciatore di metano. Le condizioni di misurazione sono riassunte nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Supporto del campione | Orizzontale |
| Campioni e spessori | PMMA di circa 7, 14, 19 mm |
| Flusso di calore | 50 kW/m2 |
| Portata termica nominale | 24.0 l/s |
| Distanza dal riscaldatore a cono | 25 mm |
1Ilfattore C, definito nella norma ISO 5660-1, è una costante di calibrazione utilizzata per determinare il tasso di rilascio di calore (HRR). Collega il segnale dell'analizzatore di ossigeno all'energia termica effettivamente rilasciata.
Risultati della misurazione
Tempo di accensione (TOI) e tempo di combustione fino all'estinzione (TOF)
Come previsto, il tempo di accensione (TOI) è lo stesso per tutti i campioni ed è di 22 secondi. Ciò suggerisce che l'accensione è influenzata principalmente dalle proprietà della superficie piuttosto che dallo spessore del materiale.
Al contrario, il tempo di combustione fino alla completa estinzione (Time of Flame-off, o TOF) dipende chiaramente dallo spessore del campione. I campioni da 7 mm hanno bruciato in media per 597 secondi, quelli da 14 mm per 857 secondi e quelli da 19 mm per 1108 secondi (vedi tabella 2). In particolare, con un aumento uniforme dello spessore del campione, sono state osservate anche differenze temporali uniformi nel TOF. Questo permette di ricavare una relazione quasi lineare tra TOF e spessore del campione, consentendo una semplice interpolazione per ulteriori spessori.
Tabella 2: Tempi medi di accensione e combustione fino all'estinzione
| Spessori dei campioni | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Rilascio di calore (HRR, THR)
L'aspetto chiave dell'analisi è il tasso di rilascio di calore (HRR), definito come la quantità di calore rilasciata per unità di tempo.
La Figura 2 mostra le curve HRR per campioni di PMMA di diverso spessore: 7 mm (blu), 14 mm (verde) e 19 mm (rosso). La valutazione dell'HRR rivela chiare differenze tra gli spessori dei campioni.
Mentre l'HRR massimo è paragonabile per tutti gli spessori del campione (~880 kW/m²), il punto in cui si verifica si sposta sistematicamente in un momento successivo all'aumentare dello spessore del campione. Questo era previsto, poiché i materiali più spessi richiedono più tempo per riscaldarsi completamente e subire la PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi. Nei campioni più sottili, i componenti volatili vengono rilasciati prima.
Il calore totale rilasciato (THR) durante la combustione corrisponde all'integrale dell'HRR nel tempo. La Figura 3 mostra le curve THR. Come previsto, i valori di THR aumentano con lo spessore del campione.
La Figura 4 mostra la relazione lineare tra lo spessore del campione e a) il tempo del massimo HRR e b) il rilascio totale di calore. La correlazione conferma che, in caso di combustione completa, il THR è determinato essenzialmente dalla quantità di materiale utilizzato. La relazione lineare tra spessore del campione, tempo di combustione fino all'estinzione completa (TOF) e THR indica che tutti i campioni sono stati quasi completamente convertiti. Due singole misurazioni con spessori di campione diversi possono essere facilmente convertite nei valori corrispondenti per altri spessori di campione.
Produzione di fumo (SPR, TSP)
Un altro aspetto importante dell'indagine è la registrazione dello sviluppo dei fumi. Ciò si ottiene misurando la trasmissione della luce nel flusso dei gas di scarico. Un raggio laser viene guidato attraverso il tubo di scarico (vedi figura 5). La diminuzione della trasmissione indica un aumento della densità del fumo.
Analogamente all'HRR, si è osservato che il raggiungimento del tasso massimo di produzione di fumo (SPR) richiedeva un periodo di tempo più lungo all'aumentare dello spessore del campione. Come si può vedere nella figura 6, le curve SPR mostrano che i campioni più sottili rilasciano rapidamente large quantità di fumo, mentre i campioni più spessi rilasciano fumo in un periodo di tempo più lungo. Ciò riflette il ritardo del processo di PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi, per cui i campioni più spessi impiegano più tempo per decomporsi completamente.
La produzione totale di fumo (TSP), mostrata nella figura 7, aumenta con l'aumentare dello spessore del campione, come previsto.
La Figura 8 mostra la relazione quasi lineare tra lo spessore del campione e il TSP. Ciò conferma che, una volta che la massa del campione è stata completamente convertita, la produzione totale di fumo è determinata essenzialmente dalla quantità di materiale presente.
Sintesi
Lo spessore del campione influenza notevolmente i parametri di fuoco nel calorimetro a cono. Mentre il tempo di accensione rimane sostanzialmente costante, il tempo di combustione, il THR e il TSP aumentano quasi linearmente con l'aumentare dello spessore del campione.
Questi risultati evidenziano l'importanza di utilizzare sempre spessori di campione identici per i test comparativi sui materiali, per garantire risultati affidabili e comparabili. Grazie alla linearità osservata, i risultati delle misure basate su due soli spessori possono essere trasferiti anche ad altri spessori mediante una semplice interpolazione o estrapolazione.
Poiché nella pratica si utilizzano spesso materiali di spessore diverso per le stesse applicazioni, per ottenere una valutazione realistica della protezione antincendio è opportuno condurre test in condizioni specifiche per l'applicazione, ad esempio con spessori tipici dei componenti o situazioni di installazione reali. Questo è l'unico modo per valutare in modo affidabile l'effettivo comportamento al fuoco e per effettuare scelte fondate dei materiali.