Inleiding
Polyvinylchloride (PVC) wordt gebruikt in tal van toepassingen waar hogere eisen worden gesteld aan brandveiligheid, zoals elektrische kabels, bouwproducten en technische kunststofonderdelen. Door het hoge chloorgehalte vertoont PVC een relatief goede intrinsieke vlamvertraging in vergelijking met veel andere thermoplasten.
Rookontwikkeling vormt echter een bijzondere veiligheidsuitdaging in geval van brand. Dichte rook kan het zicht aanzienlijk belemmeren en evacuatie bemoeilijken.
Bovendien kunnen de gasvormige en deeltjesvormige afbraakproducten in de rook gezondheidsrisico's opleveren voor mensen en hulpverleners.
Om specifiek de rookproductie te verminderen, wordt de samenstelling van PVC-materialen vaak zorgvuldig aangepast.
Kegelcalorimetrie in overeenstemming met ISO 5660-1 is een van de gevestigde methoden om het brandgedrag van materialen kwantitatief te evalueren. Het wordt beschouwd als een van de meest zinvolle laboratoriummethoden voor de experimentele analyse van brandprocessen en levert reproduceerbare parameters voor ontstekingsgedrag, warmteafgifte, rookontwikkeling en massaverlies onder gedefinieerde omstandigheden van warmtestroming.
Deze toepassingsnotitie presenteert de testresultaten voor vier materialen op PVC-basis. Eén monster dient als referentie, terwijl de varianten A, B en C gewijzigde formuleringen vertegenwoordigen die ontworpen zijn om de rookontwikkeling te verminderen. De studie is bedoeld om het brand- en rookgedrag van deze materialen te vergelijken onder identieke testomstandigheden met behulp van kegelcalorimetrie.
Meetomstandigheden
De tests werden uitgevoerd met de NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter (zie Figuur 1) in overeenstemming met ISO 5660-1. Dit is een beproefd testapparaat voor het uitvoeren van experimentele analyses onder gedefinieerde warmtestromingsomstandigheden. Dit is een beproefd testapparaat voor het uitvoeren van experimentele analyses van brandgedrag onder gedefinieerde warmtestroomcondities.
De proefstukken werden horizontaal geplaatst en onderworpen aan een constante warmtestroomdichtheid van 50 kW/m². Tijdens de meting werden de warmteafgiftesnelheid (HRR)1, het massaverlies en parameters die de rookontwikkeling beschrijven, in het bijzonder de rookproductiesnelheid (SPR) en totale rookafgifte (TSR), continu geregistreerd.
De belangrijkste testparameters zijn samengevat in tabel 1.
1Dewarmteafgiftesnelheid is een maat voor de intensiteit van een brand en de snelheid waarmee warmte vrijkomt (kW/m²).
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Horizontaal |
| Warmtestroom | 50 kW/m2 |
| Nominale warmtestroomsnelheid | 24.0 l/s |
| Afstand tot de kegelverwarming | 25 mm |
| Gewicht monster | 42.8 g - 51,5 g |
Figuur 2 toont de preparaten in de preparaathouder vóór de meting.
Ontstekingsgedrag en warmteafgifte
Alle geteste materialen ontstaken binnen een tijdsspanne van ongeveer 16 tot 20 seconden. Dit ontstekingsgedrag is typisch voor PVC-systemen die worden blootgesteld aan een externe warmtestroomdichtheid van 50 kW/m².
Over het algemeen blijven de warmteafgiftesnelheden op een gematigd niveau (afbeelding 3). De belangrijkste verschillen zijn duidelijk in de maximale warmteafgiftesnelheid (HRRmax). Het referentiemateriaal heeft de hoogste HRRmax, terwijl variant A de laagste heeft.
Over het geheel genomen zijn de verschillen echter beperkt, wat betekent dat het basisverbrandingsgedrag van de onderzochte PVC-systemen als vergelijkbaar kan worden beschouwd. Dit suggereert dat materiaalmodificaties voornamelijk het rookgedrag beïnvloeden, terwijl de basisverbrandingsprocessen grotendeels ongewijzigd blijven.
Rookproductie als belangrijke onderscheidende parameter
Figuur 4 toont aan dat de meest uitgesproken verschillen tussen de geteste materialen zichtbaar zijn in de rookproductie.
Het referentiemateriaal (zwarte curve) vertoont de hoogste totale rookafgifte (TSR2), terwijl vooral de variant (groene curve) een aanzienlijk lagere rookafgifte vertoont. Vergeleken met het referentiemateriaal is de totale rookafgifte tot ongeveer 43% verminderd.
Een verminderde rookontwikkeling kan de zichtbaarheid bij brand verbeteren, wat evacuatie en hulpverlening vergemakkelijkt. In echte brandscenario's kan een lagere rookproductie helpen om kritieke zichtomstandigheden langer in stand te houden, waardoor de beschikbare evacuatietijd toeneemt.
Naast de totale rookproductie geeft de rookproductiesnelheid (SPR) aan hoe snel rook vrijkomt tijdens de ontwikkeling van een brand. Deze parameter is relevant voor de veiligheid omdat hij beïnvloedt hoe snel kritieke zichtomstandigheden kunnen ontstaan in geval van brand.
Ondanks vergelijkbare ontbrandingstijden en vergelijkbare warmteafgiftesnelheden, verschillen de materialen aanzienlijk in hun rookgedrag. De resultaten tonen aan dat gerichte materiaalaanpassingen de rookafgifte aanzienlijk kunnen verminderen zonder het fundamentele verbrandingsgedrag van PVC-systemen wezenlijk te veranderen.
2TSR(total smoke release) verwijst naar de cumulatieve hoeveelheid rook die geproduceerd wordt tijdens de verbranding en wordt afgeleid uit metingen van laserlichttransmissie, geëvalueerd op basis van lichtverzwakking volgens de wet van Bouguer-Lambert.
Massaverlies
Het relatieve massaverlies beschrijft de thermische degradatie van materialen tijdens blootstelling aan vuur en maakt het mogelijk conclusies te trekken over hun ontledingsgedrag.
Het referentiemateriaal vertoont met 23,95% het hoogste relatieve massaverlies. Daarentegen vertonen de varianten A tot en met C zeer vergelijkbare waarden van ongeveer 16,45% (afbeelding 5).
De tijdsafhankelijke curve van het massaverlies is over het algemeen vergelijkbaar, wat suggereert dat de materialen op vergelijkbare wijze thermisch ontleden. Het lagere massaverlies van de gemodificeerde varianten wijst echter op een grotere residuvorming tijdens de verbranding.
Meer residuvorming kan de hoeveelheid vluchtige pyrolyseproducten verminderen en zo de rookontwikkeling beïnvloeden. Uitgesproken residuvorming is kenmerkend voor PVC-systemen en wordt vaak in verband gebracht met anorganische componenten en verkolingsprocessen tijdens blootstelling aan brand.
Toestand van de monsters na de meting
Na afloop van de metingen vertoonden de monsters duidelijke verschillen in de structuur en stabiliteit van de achtergebleven residuen (zie figuur 6). Hoewel alle materialen karakteristieke verkoling vertoonden, verschilden de omvang en de oppervlaktestructuur van de residuen tussen het referentiemateriaal en de gemodificeerde varianten.
Deze verschillen weerspiegelen de eerder waargenomen variaties in materiaalafbraak en rookontwikkeling. Met name de gemodificeerde varianten vertonen soms compactere residustructuren, wat mogelijk duidt op een veranderde thermische afbraak en een grotere stabilisatie van het resterende materiaal tijdens blootstelling aan brand. Deze observaties zijn consistent met de eerder besproken verschillen in massaverlies en rookontwikkeling.
Samenvatting
Kegelcalorimetrie onthulde significante verschillen in het rookgedrag van de onderzochte PVC-materialen, terwijl het ontstekingsgedrag en de warmteafgiftesnelheden grotendeels vergelijkbaar bleven onder identieke testomstandigheden. Alle materialen ontstaken binnen een tijdspanne van ongeveer 16 tot 20 seconden en vertoonden een matige warmteafgifte.
Het meest significante verschil tussen de geteste materialen werd waargenomen in rookontwikkeling. Met name variant B vertoonde een aanzienlijk verminderde totale rookontwikkeling, met een vermindering tot 43% in vergelijking met het referentiemateriaal. Een verminderde rookontwikkeling kan de zichtbaarheid bij brand verbeteren, wat de evacuatieprocedures en het werk van hulpverleners vergemakkelijkt.
De gewijzigde varianten vertoonden ook lagere massaverliezen dan het referentiemateriaal. Dit duidt op een verhoogde residuvorming tijdens de verbranding, wat geassocieerd kan worden met een lagere afgifte van vluchtige ontledingsproducten en dus een verminderde rookontwikkeling.
Deze resultaten tonen aan dat gerichte aanpassingen aan de materiaalsamenstelling het brand- en rookgedrag van PVC-systemen aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Kegelcalorimetrie maakt de reproduceerbare, kwantitatieve karakterisering mogelijk van belangrijke brandparameters onder gedefinieerde testomstandigheden.
De NETZSCH Cone Calorimeter TCC 918 biedt dus een krachtige methode voor de vergelijkende evaluatie van verschillende materiaalformules en ondersteunt ontwikkelingsprocessen gericht op het optimaliseren van het brand- en rookgedrag van polymeermaterialen.