Inleiding
Brandproeven spelen een cruciale rol bij het waarborgen van de persoonlijke veiligheid, het voldoen aan wettelijke eisen en het minimaliseren van mogelijke materiële schade, door te beoordelen hoe materialen en systemen zich onder brandomstandigheden gedragen. Gecontroleerde proeven gaan na of producten hitte kunnen weerstaan, de verspreiding van brand kunnen beperken en de betrouwbare werking van cruciale gebouwsystemen, zoals brandalarmen en brandblussystemen, in een noodsituatie kunnen garanderen.
Brandproeven bevestigen tevens de naleving van nationale en internationale brandveiligheidsnormen, die essentiële voorwaarden zijn voor bouwvergunningen en productcertificeringen. Tegelijkertijd wordt de daadwerkelijke prestatie van materialen en beveiligingssystemen beoordeeld om ervoor te zorgen dat deze voldoende tijd bieden voor een veilige evacuatie en de gevolgen van een brand beperken.
TCC-methode
Er is een referentiemateriaal op basis van polymeren onderzocht. In het kader van een ontwikkelingsproject zijn verschillende varianten met gerichte materiaalaanpassingen vervaardigd om de invloed daarvan op belangrijke brandprestatieparameters systematisch te analyseren.
De nadruk lag op het vaststellen in hoeverre brandgerelateerde parameters veranderen ten opzichte van het referentiemateriaal, en op het identificeren van correlaties tussen deze parameters.
Voor het experimentele onderzoek werd gebruikgemaakt van de „ TCC 918 ” (figuur 1). Deze methode maakt het mogelijk om gelijktijdig verschillende brandgerelateerde parameters te bepalen, waaronder:
- Tijd tot ontbranding (TOI)
- Maximale warmteafgifte (HHRmax)
- Totale rookafgifte (TSR)
- Massaverlies tijdens verbranding
Cone-calorimetrie maakt het dus mogelijk om het brandgedrag van op polymeren gebaseerde materialen onder gedefinieerde en reproduceerbare brandomstandigheden uitgebreid te karakteriseren.
De bepaling van de warmteafgifte is gebaseerd op het zuurstofverbruiksprincipe, waarbij de afgegeven warmte wordt berekend aan de hand van het gemeten zuurstofverbruik van de verbrandingsgassen.
Meetomstandigheden
De metingen werden uitgevoerd met de NETZSCH TCC 918 kegelcalorimeter, overeenkomstig ISO 5660-1. De meetparameters staan vermeld in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Horizontaal |
| Warmtestroom | 50kW/m² |
| Nominale warmtestroom | 24,0 l/s |
| Afstand tot de kegelverwarmer | 25 mm |
De monsters werden horizontaal in de monsterhouder geplaatst en blootgesteld aan een constante warmtestroomdichtheid van 50 kW/m². Deze thermische belasting komt overeen met een typisch brandscenario, waardoor een realistische beoordeling van het brandgedrag mogelijk is.
Tijdens de meting werden de warmteafgifte, de rookontwikkeling en het massaverlies continu geregistreerd.
De testreeks omvatte de volgende materialen:
- Standaardmateriaal
- Ontwikkelingsvarianten A, B, C en D
Alle monsters waren materialen op polymeerbasis met de volgende geometrische eigenschappen:
- Oppervlakte: 100 x 100 mm
- Dikte: 3,3 - 3,9 mm
- Massa: 53 - 62 g
Hoewel de materiaalbasis in alle gevallen vergelijkbaar is, zijn de varianten specifiek aangepast. Figuur 2 toont de monsters in de monsterhouder vóór de meting.
Meetresultaten
Ontstekingsgedrag – Vertraging als ontwikkelingsdoel
De gemeten tijden tot ontbranding (TOI1) varieerden van 69 s tot 86 s.
Met 86 s vertoonde variant A de langste tijd tot ontbranding, terwijl het standaardmateriaal zich in het midden van het bereik van de geteste materialen bevond.
De resultaten tonen aan dat gerichte aanpassingen de ontstekingsweerstand kunnen verbeteren. Een langere ontstekingstijd betekent dat het materiaal bij identieke thermische belasting in een later stadium overgaat tot zelfvoedende verbranding.
1TOI(Time to Ignition): Tijdsduur vanaf het begin van de warmteafgifte totdat het monster ontbrandt.
Warmteafgifte – De norm blijft de maatstaf
De maximale warmteafgifte (HRRmax2) lag tussen 102 en 128kW/m² (zie figuur 3).
Het standaardmateriaal vertoonde de laagste maximale warmteafgifte, terwijl de ontwikkelingsvarianten A tot en met D vergelijkbare of iets hogereHRRmax-waarden vertoonden.
Er werd geen verdere vermindering van de maximale warmteafgifte ten opzichte van het referentiemateriaal waargenomen. Wat de maximale warmteafgifte betreft, blijft het standaardmateriaal daarom de maatstaf.
Hoewel er slechts matige verschillen werden waargenomen wat betreft het ontstekingsgedrag en de maximale warmteafgifte, deden zich meer uitgesproken verschillen voor tussen de materialen met betrekking tot de rookontwikkeling.
2HRRmax: maximale warmteafgifte; hoogste gemeten waarde van HRR tijdens de test en parameter voor de maximale brandintensiteit.
Rookontwikkeling – Duidelijk verschil
Zoals te zien is in figuur 4, zijn de grootste verschillen tussen de materialen zichtbaar in de rookontwikkeling.
Het standaardmateriaal vertoont de laagste totale rookafgifte (TSR3). Variant C vertoont de hoogste rookproductie, terwijl de varianten A, B en D in het middenbereik liggen.
3TSR(Total Smoke Release): totale hoeveelheid rook die tijdens de test vrijkomt; integrale parameter voor de kwantitatieve beoordeling van de rookontwikkeling gedurende de gehele brandduur.
Uit deze resultaten blijkt dat het verbeteren van afzonderlijke parameters, zoals de ontbrandingstijd, niet noodzakelijkerwijs leidt tot een vermindering van de rookontwikkeling. Het brandgedrag van polymeermaterialen vormt dan ook een multidimensionaal optimalisatieprobleem, waarbij veranderingen in de materiaalsamenstelling op verschillende manieren van invloed kunnen zijn op het ontbrandingsgedrag, de warmteafgifte en de rookontwikkeling.
Massaverlies – Vergelijkbare afbraakmechanismen
Het relatieve massaverlies tijdens de meting varieerde van 14% tot 21% (zie figuur 5). Door de resultaten uit te drukken als relatief massaverlies kunnen de afbraakprofielen direct met elkaar worden vergeleken, ondanks kleine verschillen in de massa van de monsters. Er zijn slechts kleine verschillen in het tijdsverloop van de materiaalafbraak tussen de onderzochte varianten. De vergelijkbare curveprofielen wijzen erop dat alle materialen op vergelijkbare wijze thermische ontleding en verbranding ondergaan. Het standaardmateriaal vertoont een iets lager massaverlies aan het begin van de verbranding, en de curven komen naarmate het proces vordert steeds dichter bij elkaar.
Beschrijf het monster na de meting
Na afloop van de metingen werd bij alle materialen een aanzienlijke residuvorming waargenomen (figuur 6). De verschillen in structuur, integriteit en oppervlakte-eigenschappen van de residuen hangen samen met de waargenomen variaties in het verbrandingsprofiel.
Samenvatting
Met behulp van conuscalorimetrie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de NETZSCH TCC 918 , kunnen de warmteafgifte, rookontwikkeling en het massaverlies gelijktijdig worden gemeten, wat een uitgebreide experimentele basis biedt voor het beoordelen en optimaliseren van polymeermaterialen met betrekking tot hun brandgedrag.
Onderzoek naar varianten van een op polymeren gebaseerd referentiemateriaal brengt aanzienlijke verschillen in individuele brandgerelateerde parameters aan het licht.
Van de geteste materialen bereikt variant A met 86 s de langste ontbrandingstijd en vertoont daarmee de hoogste ontbrandingsweerstand.
Het standaardmateriaal blijft echter de maatstaf wat betreft de maximale warmteafgifte, aangezien het de laagsteHRRmax vertoont.
Het standaardmateriaal vertoont ook de gunstigste rookontwikkelingseigenschappen, met de laagste totale rookafgifte; terwijl variant C de hoogste rookproductie vertoont.
Het relatieve massaverlies voor alle materialen ligt binnen een vergelijkbaar bereik van 14 tot 11%, wat wijst op vergelijkbare thermische ontledingsmechanismen.
De resultaten tonen aan dat gelijktijdige optimalisatie van alle brandgerelateerde parameters niet zonder meer haalbaar is. Verbetering van individuele parameters kan gepaard gaan met veranderingen in andere brandprestatiekenmerken.
Cone-calorimetrie maakt een nauwkeurig onderscheid mogelijk, zelfs tussen nauw verwante materiaalsamenstellingen.