Inleiding
Het analyseren van het brandgedrag van materialen is een belangrijk onderdeel van veiligheidstechniek. De TCC 918 kegelcalorimeter (afbeelding 1) is een beproefd testapparaat dat wordt gebruikt om belangrijke parameters te bepalen, zoals de warmteafgiftesnelheid (HRR), massaverlies en rookemissies. De chemische samenstelling van een materiaal en fysieke parameters zoals de geometrie van het monster en het brandgedrag kunnen de meetresultaten beïnvloeden.
In overeenstemming met ISO 5660-1 zijn de standaardafmetingen voor testmonsters 100 mm × 100 mm, met een dikte tussen 6 mm en 50 mm. Dit onderzoek heeft als doel om de invloed van de dikte van het proefstuk op de meetresultaten te analyseren.
Testopstelling en -omstandigheden
Negen PMMA-monsters met diktes van 7 mm, 14 mm en ongeveer 19 mm (drie metingen per dikte) werden onderzocht.
De monsters werden op een horizontale monsterhouder geplaatst, die op een weegcel was gemonteerd om continu massaverlies te kunnen registreren. Er werd warmte toegevoerd met behulp van een elektrische kegelverwarming met een constante warmtestroomdichtheid van 50 kW/m². Ontsteking vond plaats via vonkontstekers zodra er voldoende pyrolysegassen waren vrijgekomen. De resulterende rookgassen werden geanalyseerd om de massastroomsnelheid, de rookgastemperatuur en de concentraties O₂, CO₂ en CO te bepalen. De rookdichtheid werd bepaald door lichttransmissie. Het gasanalysesysteem (Siemens Oxymat/ Ultramat) werd voorafgaand aan de meetseries gekalibreerd en de C-factor¹ werd gevalideerd met behulp van een methaanbrander. De meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Horizontaal |
| Monsters en diktes | PMMA van ca. 7, 14, 19 mm |
| Warmtestroom | 50 kW/m2 |
| Nominale warmtestroomsnelheid | 24.0 l/s |
| Afstand tot de kegelverwarming | 25 mm |
1DeC-factor, gedefinieerd in ISO 5660-1, is een kalibratieconstante die wordt gebruikt om de warmteafgiftesnelheid (HRR) te bepalen. Het koppelt het signaal van de zuurstofanalysator aan de werkelijk afgegeven warmte-energie.
Meetresultaten
Tijdstip van ontsteking (TOI) en tijd van verbranding tot extinctie (TOF)
Zoals verwacht is de tijd van ontsteking (TOI) hetzelfde voor alle monsters en bedraagt 22 seconden. Dit suggereert dat ontsteking voornamelijk wordt beïnvloed door oppervlakte-eigenschappen in plaats van materiaaldikte.
Daarentegen is de tijd van verbranding tot volledige uitdoving (Time of Flame-off, of TOF) duidelijk afhankelijk van de dikte van het monster. De 7 mm monsters brandden gemiddeld 597 seconden, de 14 mm monsters gemiddeld 857 seconden en de 19 mm monsters gemiddeld 1108 seconden (zie tabel 2). Met name bij een uniforme toename in monsterdikte werden ook uniforme tijdsverschillen in TOF waargenomen. Hierdoor kan een bijna lineair verband tussen TOF en monsterdikte worden afgeleid, wat eenvoudige interpolatie voor andere diktes mogelijk maakt.
Tabel 2: Gemiddelde tijden van ontsteking en verbranding tot uitdoving
| Monsterdiktes | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Warmteafgifte (HRR, THR)
Het belangrijkste aspect van de analyse is de warmteafgiftesnelheid (HRR), die wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die vrijkomt per tijdseenheid.
Figuur 2 toont de HRR-curves voor PMMA-monsters van verschillende diktes: 7 mm (blauw), 14 mm (groen) en 19 mm (rood). De evaluatie van de HRR onthult duidelijke verschillen tussen de monsterdiktes.
Terwijl de maximale HRR vergelijkbaar is voor alle monsterdiktes (~880 kW/m²), verschuift het punt waarop het optreedt systematisch naar een later tijdstip naarmate de dikte van het monster toeneemt. Dit was te verwachten, omdat dikkere materialen meer tijd nodig hebben om volledig op te warmen en PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse te ondergaan. Bij dunnere monsters komen vluchtige componenten eerder vrij.
De totale warmte die vrijkomt (THR) tijdens de verbranding komt overeen met de integraal van de HRR over de tijd. Figuur 3 toont de THR-curves. Zoals verwacht nemen de THR-waarden toe met de dikte van het monster.
Figuur 4 toont het lineaire verband tussen de dikte van het monster en a) de tijd van het HRR-maximum en b) de totale warmteafgifte. De correlatie bevestigt dat, bij volledige verbranding, THR hoofdzakelijk wordt bepaald door de hoeveelheid gebruikt materiaal. De lineaire relatie tussen monsterdikte, tijd van verbranding tot volledige uitdoving (TOF) en THR geeft aan dat alle monsters bijna volledig werden omgezet. Twee individuele metingen met verschillende monsterdiktes kunnen eenvoudig worden omgezet naar de overeenkomstige waarden voor andere monsterdiktes.
Rookproductie (SPR, TSP)
Een ander belangrijk aspect van het onderzoek is het registreren van de rookontwikkeling. Dit wordt bereikt door de lichttransmissie in de rookgasstroom te meten. Een laserstraal wordt door de uitlaatpijp geleid (zie figuur 5). Een afnemende transmissie duidt op een toename van de rookdichtheid.
Net als bij de HRR werd waargenomen dat het langer duurde om de maximale rookproductie (SPR) te bereiken naarmate de dikte van de monsters toenam. Zoals te zien is in figuur 6, laten de SPR-curven zien dat dunnere monsters snel large hoeveelheden rook afgeven, terwijl dikkere monsters over een langere periode rook afgeven. Dit weerspiegelt het vertraagde pyrolyseproces, waarbij dikkere monsters er langer over doen om volledig te OntbindenOntbinding is een van de belangrijkste productiestappen in de keramische en poedermetallurgische industrie. Het verwijst naar de thermische of katalytische verwijdering van additieven die gebruikt worden in stappen voorafgaand aan de productie, zoals gieten.ontbinden.
De totale rookproductie (TSP), weergegeven in figuur 7, neemt zoals verwacht toe met toenemende dikte van het monster.
Figuur 8 toont het bijna lineaire verband tussen de dikte van het monster en de TSP. Dit bevestigt dat, zodra de massa van het monster volledig is omgezet, de totale rookproductie in wezen wordt bepaald door de hoeveelheid aanwezig materiaal.
Samenvatting
De dikte van het monster beïnvloedt de brandparameters in de kegelcalorimeter aanzienlijk. Terwijl de ontbrandingstijd grotendeels constant blijft, nemen de brandtijd, THR en TSP bijna lineair toe met toenemende monsterdikte.
Deze resultaten benadrukken het belang om altijd identieke monsterdiktes te gebruiken voor vergelijkende materiaaltesten om betrouwbare en vergelijkbare resultaten te garanderen. Dankzij de waargenomen lineariteit kunnen meetresultaten gebaseerd op slechts twee diktes ook worden overgedragen naar andere diktes door middel van eenvoudige interpolatie of extrapolatie.
Aangezien in de praktijk vaak materialen van verschillende diktes worden gebruikt voor dezelfde toepassingen, is het verstandig om tests uit te voeren onder toepassingsspecifieke omstandigheden, zoals met typische componentdiktes of echte installatiesituaties, om een realistische beoordeling van de brandveiligheid te krijgen. Dit is de enige manier om het werkelijke brandgedrag betrouwbaar te beoordelen en gefundeerde materiaalkeuzes te maken.