TCC 918 コーン熱量計における高分子標準物質およびその改質変種の燃焼挙動

はじめに

火災試験は、材料やシステムが火災時にどのように振る舞うかを評価することで、人命の安全を確保し、法的要件を満たし、潜在的な物的損害を最小限に抑える上で極めて重要な役割を果たします。管理された試験を通じて、製品が熱に耐えられるか、延焼を抑制できるか、そして緊急時に火災報知器や消火システムなどの重要な建築設備が確実に作動するかが検証されます。

また、火災試験は、建築許可や製品認証の不可欠な前提条件である、国内および国際的な防火安全基準への準拠を確認するものです。同時に、材料や防火システムの実際の性能を評価し、安全な避難のための十分な時間を確保し、火災による影響を最小限に抑えることを保証します。

TCC法

ポリマー系標準試料について検討を行った。開発プロジェクトの一環として、材料に意図的な改質を加えた複数のバリエーションを作成し、主要な火災性能パラメータに対するその影響を体系的に分析した。

焦点は、基準材料と比較して火災関連パラメータがどの程度変化するかを見極め、これらのパラメータ間の相関関係を特定することにあった。

実験調査には、TCC 918 （図1）が用いられた。この方法により、以下を含む複数の火災関連パラメータを同時に測定することが可能となる。

• 着火までの時間（TOI）
• 最大発熱率（_HHRmax）
• 総発煙量（TSR）
• 燃焼中の質量損失

このように、コーン熱量測定法を用いることで、定義され再現性のある火災条件下において、ポリマー系材料の火災挙動を包括的に評価することが可能となる。

発熱率の測定は、酸素消費量の原理に基づいており、放出される熱は、燃焼ガスの測定された酸素消費量から算出されます。

測定条件

測定は、ISO 5660-1に準拠して、NETZSCH 社製TCC 918 コーン熱量計を用いて実施した。測定パラメータを表1に示す。

表1：測定条件

試料は試料ホルダー内に水平に配置され、50 kW/m²の一定熱流密度が加えられた。この熱負荷は一般的な火災シナリオに相当し、火災挙動を現実的に評価することが可能である。

測定中、発熱量、発煙量、および質量損失が継続的に記録された。

一連の試験では、以下の材料が使用された：

• 標準材料
• 開発バリエーション A、B、C および D

すべての試料はポリマー系材料であり、以下の幾何学的特性を有していた：

• 面積：100 × 100 mm
• 厚さ：3.3～3.9 mm
• 質量：53～62 g

材料の基材はすべての場合において同等であるが、各バリエーションは個別に改質されている。図2は、測定前のサンプルホルダーに収められた試料を示している。

測定結果

点火挙動 ― 開発目標としての遅延

測定された着火までの時間（^TOI1）は、69秒から86秒の範囲であった。

86秒を記録した変種Aは最も長い着火時間を示した一方、標準材料は試験対象材料の中で中程度の範囲に位置した。

この結果は、意図的な改質によって着火抵抗性を向上させることができることを示している。着火時間が長いということは、同一の熱負荷下において、材料が自己持続燃焼に移行する段階が遅くなることを意味する。

^1TOI（着火までの時間）：発熱が始まってから試料が着火するまでの時間。

発熱量 – 標準値が依然として基準となっている

最大発熱率（^HRRmax2）は102～128^kW/m²の範囲であった（図3参照）。

標準材料は最も低い最大発熱率を示した一方、開発バリエーションA～Dは、これと同等か、あるいはわずかに_高いHRRmax値を示した。

基準材料と比較して、最大発熱率のさらなる低減は認められなかった。したがって、最大発熱量に関しては、標準材料が依然としてベンチマークとなっている。

着火挙動や最大発熱量に関してはわずかな違いしか見られなかったものの、発煙量に関しては材料間でより顕著な違いが見られました。

_2HRRmax：最大発熱率。試験中に測定された HRR の最高値であり、最大火災強度のパラメータである。

発煙量 – 明確な違い

図4に示すように、各材料間の最大の違いは発煙量に顕著に表れている。

標準材料は、総発煙量（^TSR3）が最も低い。バリアントCは発煙量が最も多く、バリアントA、B、Dは中程度の範囲にある。

^3TSR（総発煙量）：試験中に放出される煙の総量。火災の合計時間にわたる発煙量を定量的に評価するための重要な指標である。

これらの結果は、着火時間などの個々のパラメータを改善しても、必ずしも発煙量が減少するわけではないことを示している。したがって、高分子材料の火災挙動は多次元最適化問題であり、材料組成の変化によって、着火挙動、発熱量、および発煙量に異なる影響が及ぶ可能性がある。

質量損失 ― 比較可能な分解メカニズム

測定中の相対質量損失は14%から21%の範囲であった（図5参照）。結果を相対質量損失として表すことで、試料質量にわずかな違いがある場合でも、劣化プロファイルを直接比較することができる。調査対象となった各変種間において、材料の劣化の経時的な経過にはわずかな違いしか見られない。 曲線の形状が類似していることから、すべての材料が同様のメカニズムで熱分解および燃焼を起こしていることが示唆される。標準材料は燃焼開始時にわずかに低い質量損失を示すが、プロセスが進行するにつれて曲線は収束していく。

測定後の試料の状態

測定完了後、すべての材料において著しい残留物の生成が確認された（図6）。残留物の構造、完全性、および表面特性の違いは、燃焼プロファイルに見られた変動と相関している。

概要

NETZSCH （TCC 918 ）を用いたコーン熱量測定法では、発熱量、発煙量、質量減少量を同時に測定することができ、ポリマー材料の火災挙動を評価・最適化するための包括的な実験的根拠を提供します。

ポリマー系参照材料のバリエーションを調査した結果、個々の火災関連パラメータに著しい違いがあることが明らかになりました。

試験した材料の中で、バリエーション A は 86 秒という最長の着火時間を記録し、最も高い着火抵抗性を示しました。

しかし、最大発熱率に関しては、標準材料が_HRRmax が最も低いため、依然としてベンチマークとなっています。

また、標準材料は総発煙量が最も少なく、最も良好な発煙特性を示しているのに対し、変種 C は最も高い発煙量を示しています。

すべての材料の相対質量損失は 14～11% という同様の範囲にあり、熱分解メカニズムが類似していることを示しています。

この結果は、火災に関連するすべてのパラメータを同時に最適化することは容易ではないことを示しています。個々のパラメータを改善すると、他の火災性能特性に変化が生じる可能性があります。

コーン熱量測定法を用いることで、密接に関連する材料配合間でも、微細な違いを識別することが可能になります。