Inleiding
Isolatiematerialen spelen een belangrijke rol in de gevelconstructie in de bouw: Ze verminderen de overdracht van warmte, kou, geluid en, in sommige gevallen, vocht tussen binnen en buiten. Dit vermindert het energieverbruik van een gebouw, houdt het binnenklimaat stabieler en verhoogt het wooncomfort aanzienlijk.
Waarvoor worden isolatiematerialen gebruikt?
- Thermische isolatie: Minimaliseert warmteverlies in de winter en voorkomt oververhitting in de zomer
- Bescherming tegen vocht: Bepaalde materialen reguleren vocht en voorkomen condensatie
- Geluidsisolatie: Isolatiematerialen verminderen lucht- en contactgeluid
- Bescherming tegen brand: Sommige isolatiematerialen werken als een barrière tegen brand of vertragen de verspreiding ervan.
Isolatiematerialen leveren een belangrijke bijdrage aan de energie-efficiëntie, geluids- en vochtbescherming en brandveiligheid van gebouwen. Naast thermische prestaties wordt brandgedrag steeds belangrijker, omdat het een belangrijke invloed heeft op de verspreiding van brand, rookontwikkeling en evacuatieveiligheid.
De TCC 918 kegelcalorimeter (figuur 1) volgens ISO 5660-1 is een gevestigde testmethode voor de kwantitatieve evaluatie van het brandgedrag van materialen onder gedefinieerde warmte-effecten.
In deze toepassingsnotitie worden verschillende isolatiemateriaalvarianten getest en vergeleken met behulp van de NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter.
Meetomstandigheden
Vijf isolatievarianten met verschillende formules en kleuren (wit, rood en drie grijstinten) werden getest in de TCC 918 kegelcalorimeter om het brandgedrag te onderzoeken.
Dit apparaat registreert verschillende parameters, waaronder de warmteafgiftesnelheid (HRR), tijd tot ontsteking (TOI) en totale rookproductie (TSP). Het maakt het ook mogelijk om voorspellingen te doen over de brandontwikkeling.
Alle testen werden uitgevoerd onder identieke omstandigheden in overeenstemming met ISO 5660-1 om een directe en zinvolle vergelijkbaarheid te garanderen.
Elk van de onderzochte isolatiematerialen (figuur 2) werd herhaaldelijk gemeten met individuele monsters.
De omvang van de tests staat in tabel 1 en de meetomstandigheden in tabel 2. Elk monster van de verschillende isolatiematerialen werd onafhankelijk en onder identieke omstandigheden gemeten.
De omgevingscondities in het laboratorium bleven stabiel gedurende de hele testserie met een temperatuur van ongeveer 24 tot 25°C en een relatieve vochtigheid van 22 tot 23%.
Tabel 1: Omvang van de testmonsters
| Fabrikant ID | Kleur | Aantal gemeten monsters |
|---|---|---|
| Monster W | wit | 4 |
| Monster R | rood | 3 |
| Monster G4 | grijs1 | 3 |
| Voorbeeld G5 | grijs2 | 3 |
| Monster G6 | grijs2 | 3 |
Tabel 2: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Horizontaal |
| Warmtestroom | 25 kW/m2 |
| Nominale stroomsnelheid | 24.0 l/s |
| Afstand tot de kegelverwarming | 25 mm |
Meetresultaten en vergelijkende overzichten
Alle conclusies in dit hoofdstuk zijn uitsluitend gebaseerd op de resultaten van de individuele monsters die gemeten zijn.
Ontstekingsgedrag
De tijd van ontbranding (TOI1) evalueert hoe snel een materiaal ontbrandt bij blootstelling aan een bepaald warmteniveau. Het monster werd blootgesteld aan een constante warmtestraling van 25 kW/m². De tijdspanne vanaf het begin van de bestraling tot het eerste zichtbare verschijnen van vlammen wordt gedefinieerd als het ontstekingstijdstip. Dit tijdstip wordt direct weergegeven in de evaluatie van de kegelcalorimeter software als TOI-waarde.
Een korte ontstekingstijd geeft aan dat het materiaal licht ontvlambaar is en energie absorbeert en snel opwarmt, wat resulteert in een vroege ontsteking van de gasvormige pyrolyseproducten. Meer vlambestendige materialen hebben meer energie nodig om op te warmen en PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse te ondergaan, wat resulteert in een vertraagde ontsteking.
Bij alle geteste materialen is er een duidelijk en consistent verschil in ontstekingsgedrag. Een vergelijking is te zien in figuur 3.
- De witte variant van de onderzochte monsters heeft de kortste ontbrandingstijden en dus de laagste weerstand tegen warmtestraling. Dit resulteert in een gemiddelde ontbrandingstijd van 414 s.
- De rode variant heeft een gemiddelde ontstekingsweerstand en ontsteekt later dan de witte variant maar eerder dan de grijze varianten. De gemiddelde ontbrandingstijd is hier 599 s.
- De grijze varianten laten consistent de langste ontbrandingstijden zien. De berekende gemiddelde ontbrandingstijd is 862 s, wat duidt op een verhoogde weerstand tegen de toegepaste warmtestroom.
Dit betekent dat de grijze materialen de hoogste weerstand tegen de toegepaste warmtestraling vertonen.
1Detijd tot ontbranding (TOI) definieert hoe snel een vlammende verbranding plaatsvindt in een materiaal. (NTA_Cone_Calorimeter_en_web.pdf, p. 7).
Warmteafgifte en brandontwikkeling
De warmteafgiftesnelheid (HRR2) is een van de belangrijkste parameters om de brandintensiteit te beoordelen. Het wordt beschouwd als de drijvende kracht achter een brand: hoe hoger de HRR, hoe groter de brandbaarheid en het potentiële brandgevaar.
De piekwarmteafgifte (piek HRR) geeft het moment aan waarop een materiaal de meeste warmte afgeeft, wat bijzonder gevaarlijk is in een noodsituatie omdat het bijdraagt aan een snelle en intense branduitbreiding.
De piek HRR maakt duidelijke en eenvoudige vergelijkingen mogelijk tussen verschillende materialen en formuleringen.
Figuren 4 tot 6 tonen de meetcurven van de warmteafgiftesnelheid voor verschillende isolatiematerialen.
2Dewarmteafgiftesnelheid (HRR) is een maat voor de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid vrijkomt bij de verbranding van een materiaal. (NTA_Fire_Testing_Systems_en_web.pdf p. 6)
Tabel 3 toont de maximale warmteafgifte (piek HRR3) van de verschillende isolatiematerialen.
Om de vergelijkbaarheid te verbeteren, zijn de gemiddelde piek-HR-waarden voor elke materiaalvariant berekend.
Uit de resultaten kunnen de volgende conclusies worden getrokken:
- witte variant: ca. 572 kW/m² → zeer hoge brandintensiteit
- rode variant: ca. 306 kW/m² → gemiddelde tot zeer hoge brandintensiteit
- grijze varianten: ca. 289 kW/m² → gemiddelde brandintensiteit
De witte materialen vertonen dus de meest intense warmteafgifte na ontsteking, terwijl de grijze varianten worden gekenmerkt door lagere piek-HR-waarden.
3Peak-HRR- Maximale warmteafgifte (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)
Tabel 3: Vergelijking van de piek-HR
| groep ID | Kleur | Piek-HRR-waarden (kW/m²) | Piek-HRR Bereik (kW/m²) | Gemiddelde piek-HRR (kW/m²) | Waargenomen brandintensiteit |
|---|---|---|---|---|---|
| Monster W | wit | 496.2/548.3/596.9/647.4 | 496-647 | 572.2 | Zeer hoog |
| Monster R | rood | 345,4 / 252,9 / 319,2 | 254-345 | 305.8 | Gemiddeld tot hoog |
| Monster G4 | grijs1 | 301.1/282.6/294.8 | 283-301 | 292.8 | Gemiddelde |
| Monster G5 | grijs2 | 283.1/309.4/ 295.6 | 283-309 | 269.0 | Gemiddelde |
| Monster G6 | grijs2 | 258.7/272.3/304.8 | 259-305 | 278.6 | Gemiddelde |
Intensiteit brandgroei
De maximale gemiddelde warmteafgiftesnelheid (MARHE4) illustreert de verschillen in intensiteit van de brandgroei, omdat deze de in de tijd afgevlakte maximale warmteafgifte tijdens de test weergeeft, waardoor het brandgedrag van verschillende materialen vergeleken kan worden.
Figuur 7 toont de MARHE-waarden (maximale gemiddelde snelheid van warmteafgifte) van de verschillende materiaalmonsters, onderscheiden door kleur: wit, rood en grijs. De waarden worden weergegeven als verticale balken, met de bijbehorende monsteraanduiding onder elke balk. De MARHE-waarden geven de maximale gemiddelde warmteafgifte aan tijdens de gehele brandtest.
4MARHE- Waarde, (Max. Average Rate of Heat Emission) is de maximale warmteafgifte bepaald tijdens een test met de kegelcalorimeter volgens ISO 5660-1.
Interpretatie
- Monsters van de witte categorie laten voornamelijk MARHE-waarden zien, variërend van 76,7 kW/m² tot 90 kW/m²
- Verschillende monsters vertonen waarden van meer dan 80 kW/m², twee zelfs bijna 90 kW/m².
→ De witte materialen hebben de hoogste MARHE-waarden, wat staat voor het meest kritische brandgedrag, wat overeenkomt met de hoge piek HRR-waarden en duidt op een snelle brandontwikkeling.
- Monsters van de rode categorie bevinden zich in het middenbereik en vertonen aanzienlijke variaties: Waarden: 56.5 kW/m², 37,7 kW/m², 57,6 kW/m².
→ De rode monsters vertonen een middelmatig brandgedrag, met enige variatie van monster tot monster.
- Monsters van de grijze categorie hebben meestal de laagste MARHE-waarden, maar er zijn ook twee uitschieters.
- Het belangrijkste bereik ligt tussen 39 en 60 kW/m².
→ De grijze monsters hebben meestal de laagste MARHE-waarden, wat duidt op een meer gecontroleerde brandgroei.
Rookontwikkeling
De totale rookontwikkeling (TSP5) beschrijft de totale hoeveelheid rook die vrijkomt tijdens de kegelcalorimetertest volgens ISO 5660-1, en is een belangrijke parameter om het rookgedrag te beoordelen.
De totale rookontwikkeling verschilt aanzienlijk tussen de formuleringen (Figuren 8 tot 10).
- Alle grijze materialen bereiken hun uiteindelijke plateau na ongeveer 25 minuten, met typische waarden tussen 1650 m² en 1950 m².
- De witte materialen vertonen een matige totale rookproductie, met waarden tussen 1450 m² en 1650 m². Het uiteindelijke plateau wordt al na 15 minuten bereikt.
- De rode varianten vertonen de laagste totale rookproductie van alle geteste materialen. De waarden bereiken hun plateau na 18 minuten tussen 1290 m² en 1350 m².
5Totalerookproductie (TSP) beschrijft de totale hoeveelheid rook die geproduceerd wordt tijdens de volledige duur van de brand (volgens ISO 5660-1)
Samenvatting
De metingen uitgevoerd met de TCC 918 Cone Calorimeter TCC 918 tonen duidelijk reproduceerbare verschillen in het brandgedrag van de onderzochte isolatiematerialen.
Kwantitatieve parameters zoals ontstekingstijd, warmteafgiftesnelheid, intensiteit van de brandgroei en rookontwikkeling kunnen worden gebruikt om de brandbaarheid, branddynamica en rookgedrag duidelijk te karakteriseren en direct te vergelijken.
De resultaten tonen duidelijk de impact aan van verschillende materiaalformules en bieden een robuuste basis voor materiaalontwikkeling, optimalisatie van formules en benchmarking in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.