はじめに
ポリ塩化ビニル（PVC）は、電気ケーブル、建築製品、エンジニアリングプラスチック部品など、防火安全性の要求が高まる多くの用途で使用されています。PVCは塩素含有量が高いため、他の多くの熱可塑性プラスチックと比較して、熱分解時の残渣形成が明瞭で、比較的良好な本質的難燃性を示します。
しかし、煙の発生は、火災時に安全上の問題となります。濃い煙は視界を著しく損ない、避難活動を複雑にする。
さらに、煙に含まれるガス状および粒子状の分解生成物は、人々や救急隊員に健康上のリスクをもたらす可能性がある。
特に煙の発生を抑えるため、PVC材料の組成はしばしば慎重に調整されます。
ISO 5660-1に準拠したコーンカロリメトリーは、材料の火災挙動を定量的に評価するための確立された方法の一つです。火災過程の実験的分析に最も意味のある実験手法の一つと考えられており、定義された熱流条件下での着火挙動、熱放出、発煙、質量損失について再現可能なパラメータを提供します。
このアプリケーションノートでは、4種類のPVC系材料の試験結果を紹介します。1つの試料は参照用で、A、B、Cの各試料は煙の発生を抑えるために改良されたものです。本研究の目的は、コーンカロリメトリーを用いた同一の試験条件下で、これらの材料の火災と煙の挙動を比較することです。
測定条件
試験は、ISO 5660-1に基づき、NETZSCH TCC 918 コーン熱量計（図1参照）を用いて実施された。これは、定義された熱流条件下で火災挙動の実験的分析を実施するための定評ある試験装置である。
試験片は水平に置かれ、50kW/m²の一定の熱流密度にさらされた。測定中、熱放出率（HRR）1、質量損失、発煙を表すパラメーター、特に発煙率（SPR）と総発煙量（TSR）が連続的に記録されました。
主な試験パラメータを表1にまとめた。
1熱放出率は、火災の強度と熱が放出される速度（kW/m²）の尺度である。
表1：測定条件
| 試料ホルダー | 水平 |
| 熱流量 | 50kW/m2 |
| 公称熱流量 | 24.0 l/s |
| コーンヒーターまでの距離 | 25 mm |
| 試料質量 | 42.8 g - 51.5 g |
図2は、測定前の試験片ホルダー内の試験片を示している。
発火挙動と熱放出
すべての試験材料は、約16秒から20秒の時間範囲で発火した。この着火挙動は、50kW/m²の外部熱流密度を受けるPVCシステムの一般的なものです。
全体として、熱放出率は中程度のレベルにとどまっている（図3）。主な違いは、最大熱放出率（HRRmax）で明らかです。参照材が最も高いHRRmaxを示し、変形Aは最も低い。
しかし、全体的に見ると、その差は限定的であ り、検討したPVCシステムの基本的な燃焼挙動は同等 とみなすことができる。このことは、材料の改良が主に煙の挙動に影響する一方で、基本的な燃焼プロセスはほとんど変わらないことを示唆している。
重要な差別化パラメータとしての発煙量
図4は、試験した材料間の最も顕著な違いが発煙量に現れていることを示している。
基準材料（黒色の曲線）が最も高い総発煙量（TSR2）を示すのに対し、変形材料（緑色の曲線）は特に発煙量が著しく低い。基準材料と比較すると、総発煙量は最大約43％減少している。
煙放出の低減は、火災時の視界を改善し、避難や緊急対応活動を容易にします。実際の火災シナリオでは、煙の発生量が少ないほど、重要な視界条件をより長く維持できるため、避難可能時間が拡大します。
総発煙量に加え、発煙量（SPR）は火災発生時に煙がどれだけ早く放出されるかを示します。このパラメータは、火災発生時に危険な視界状態がどれだけ早く発生するかに影響するため、安全性に関連している。
同程度の着火時間と同程度の熱放出率にもかかわらず、材料の煙の挙動は大きく異なっている。この結果は、PVCシステムの基本的な燃焼挙動を大幅に変えることなく、目標とする材料の改良によって煙放出を大幅に低減できることを示しています。
2TSR（全発煙量）とは、燃焼中に発生する煙の累積量を指し、ブーガー・ランバートの法則に従った光の減衰に基づいて評価されたレーザー光の透過率の測定値から導き出される。
質量損失
相対質量損失は、火災にさらされた際の材料の熱劣化を表し、その分解挙動について結論を導き出すことを可能にする。
参照材は23.95%と最も高い相対質量損失を示した。対照的に、変種AからCは約16.45%と非常によく似た値を示した（図5）。
質量損失曲線の時間依存性は概ね同程度であり、このことは材料が同様の方法で熱分解を受けることを示唆している。しかし、改良型の質量損失が低いことは、燃焼中の残渣形成が大きいことを示している。
残渣形成の増加は、揮発性熱分解生成物の量を減少させ、煙の発生に影響する可能性がある。顕著な残渣形成はPVCシステムの特徴であり、火災暴露中の炭化プロセスだけでなく、無機成分と関連することが多い。
測定後の試料の状態
測定終了後、試料は残留物の構造と安定性に明確な違いを示した（図6参照）。すべての材料が特徴的な炭化を示したが、残渣の程度と表面構造は、基準材料と改良型バリエーションで異なっていた。
これらの違いは、以前に観察された材料の劣化と発煙のばらつきを反映している。注目すべきは、改良型はよりコンパクトな残渣構造を示すことがあることで、火災暴露中に熱分解が変化し、残った材料がより安定化したことを示している可能性がある。これらの観察結果は、先に述べた質量損失と煙放出の違いと一致している。
概要
コーンカロリメトリーにより、調査したPVC材料の煙の挙動に大きな違いがあることが明らかになったが、着火挙動と熱放出率は同一の試験条件下でほぼ同等であった。すべての材料は、約16秒から20秒の時間範囲内で着火し、中程度の熱放出率を示した。
試験した材料の中で最も顕著な違いが見られたのは、発煙であった。特にバリアントBは総発煙量が著しく減少し、基準材料と比較して最大43％の減少を達成した。煙の放出が減少すれば、火災時の視界が改善され、避難手順や救急隊員の作業が容易になる。
改良型はまた、参照材料よりも低い質量損失値を示した。これは、燃焼中の残渣形成が増加したことを示しており、揮発性分解生成物の放出が少なくなり、煙の発生が減少したものと考えられる。
これらの結果は、材料組成の的を絞った調整によって、PVCシステムの火災と煙の挙動に大きな影響を与えることができることを示しています。コーンカロリメトリーでは、定義された試験条件下で、主要な火災パラメータを再現可能かつ定量的に評価することができます。
このように、NETZSCH コーン熱量計TCC 918 は、さまざまな材料の配合を比較評価するための強力な方法を提供し、ポリマー材料の発火・発煙挙動の最適化を目的とした開発プロセスをサポートします。