Wprowadzenie
Polichlorek winylu (PVC) jest używany w wielu zastosowaniach, w których obowiązują podwyższone wymagania bezpieczeństwa pożarowego, takich jak kable elektryczne, produkty budowlane i elementy konstrukcyjne z tworzyw sztucznych. Ze względu na wysoką zawartość chloru, PVC wykazuje stosunkowo dobrą wewnętrzną ognioodporność, a także wyraźne tworzenie się pozostałości podczas rozkładu termicznego w porównaniu z wieloma innymi tworzywami termoplastycznymi.
Jednak wytwarzanie dymu stanowi szczególne wyzwanie dla bezpieczeństwa w przypadku pożaru. Gęsty dym może znacznie pogorszyć widoczność i utrudnić ewakuację.
Co więcej, gazowe i pyłowe produkty rozkładu zawarte w dymie mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi i personelu ratunkowego.
Aby ograniczyć wytwarzanie dymu, skład materiałów PCW jest często starannie dostosowywany.
Kalorymetria stożkowa zgodna z normą ISO 5660-1 jest jedną z uznanych metod ilościowej oceny zachowania materiałów podczas pożaru. Uważana za jedną z najbardziej znaczących metod laboratoryjnych do eksperymentalnej analizy procesów pożarowych, zapewnia powtarzalne parametry zachowania podczas zapłonu, wydzielania ciepła, wytwarzania dymu i utraty masy w określonych warunkach przepływu ciepła.
Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia wyniki testów dla czterech materiałów na bazie PVC. Jedna próbka służy jako odniesienie, podczas gdy warianty A, B i C reprezentują zmodyfikowane formuły zaprojektowane w celu zmniejszenia wytwarzania dymu. Badanie ma na celu porównanie zachowania tych materiałów podczas pożaru i wydzielania dymu w identycznych warunkach testowych przy użyciu kalorymetrii stożkowej.
Warunki pomiaru
Testy przeprowadzono przy użyciu kalorymetru stożkowego NETZSCH TCC 918 (patrz rysunek 1) zgodnie z normą ISO 5660-1. Jest to dobrze ugruntowane urządzenie testujące do przeprowadzania eksperymentalnych analiz zachowania ognia w określonych warunkach przepływu ciepła.
Próbki ustawiono poziomo i poddano działaniu stałej gęstości strumienia ciepła wynoszącej 50 kW/m². Podczas pomiaru w sposób ciągły rejestrowano szybkość wydzielania ciepła (HRR)1, utratę masy i parametry opisujące wytwarzanie dymu, w szczególności szybkość wytwarzania dymu (SPR) i całkowite wydzielanie dymu (TSR).
Kluczowe parametry testu podsumowano w tabeli 1.
1Współczynnikwydzielania ciepła jest miarą intensywności pożaru i szybkości uwalniania ciepła (kW/m²).
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Przepływ ciepła | 50 kW/m2 |
| Nominalne natężenie przepływu ciepła | 24.0 l/s |
| Odległość od grzałki stożkowej | 25 mm |
| Masa próbki | 42.8 g - 51,5 g |
Rysunek 2 przedstawia próbki w uchwycie przed pomiarem.
Zachowanie podczas zapłonu i wydzielanie ciepła
Wszystkie testowane materiały zapaliły się w czasie od około 16 do 20 sekund. Takie zachowanie podczas zapłonu jest typowe dla systemów PVC poddanych działaniu zewnętrznego strumienia ciepła o gęstości 50 kW/m².
Ogólnie rzecz biorąc, współczynniki wydzielania ciepła pozostają na umiarkowanym poziomie (rysunek 3). Główne różnice są widoczne w maksymalnej szybkości wydzielania ciepła (HRRmax). Materiał referencyjny wykazuje najwyższy HRRmax, podczas gdy wariant A ma najniższy.
Ogólnie jednak różnice są ograniczone, co oznacza, że podstawowe zachowanie podczas spalania badanych systemów PVC można uznać za porównywalne. Sugeruje to, że modyfikacje materiału wpływają przede wszystkim na zachowanie dymu, podczas gdy podstawowe procesy spalania pozostają w dużej mierze niezmienione.
Wytwarzanie dymu jako kluczowy parametr różnicujący
Rysunek 4 pokazuje, że najbardziej wyraźne różnice między testowanymi materiałami są widoczne w produkcji dymu.
Materiał referencyjny (czarna krzywa) wykazuje najwyższe całkowite wydzielanie dymu (TSR2), podczas gdy wariant (zielona krzywa) wykazuje w szczególności znacznie niższą emisję dymu. W porównaniu z materiałem referencyjnym, całkowite wydzielanie dymu jest zmniejszone o około 43%.
Zmniejszone wydzielanie dymu może poprawić widoczność w przypadku pożaru, ułatwiając ewakuację i działania ratownicze. W rzeczywistych scenariuszach pożarowych mniejsze wydzielanie dymu może pomóc w utrzymaniu krytycznych warunków widoczności przez dłuższy czas, wydłużając w ten sposób dostępny czas ewakuacji.
Oprócz całkowitego uwalniania dymu, wskaźnik wytwarzania dymu (SPR) wskazuje, jak szybko dym jest uwalniany podczas rozwoju pożaru. Parametr ten jest istotny dla bezpieczeństwa, ponieważ wpływa na to, jak szybko mogą powstać krytyczne warunki widoczności w przypadku pożaru.
Pomimo porównywalnych czasów zapłonu i podobnych szybkości uwalniania ciepła, materiały różnią się znacznie pod względem zachowania dymu. Wyniki pokazują, że ukierunkowane modyfikacje materiału mogą znacznie zmniejszyć wydzielanie dymu bez znaczącej zmiany podstawowych właściwości spalania systemów PVC.
2TSR(całkowite wydzielanie dymu) odnosi się do skumulowanej ilości dymu wytwarzanego podczas spalania i pochodzi z pomiarów przepuszczalności światła laserowego, ocenianej na podstawie tłumienia światła zgodnie z prawem Bouguera-Lamberta.
Utrata masy
Względna utrata masy opisuje degradację termiczną materiałów podczas ekspozycji na ogień i umożliwia wyciągnięcie wniosków na temat ich zachowania podczas rozkładu.
Materiał referencyjny wykazuje najwyższy względny ubytek masy, wynoszący 23,95%. Natomiast warianty od A do C wykazują bardzo podobne wartości wynoszące około 16,45% (rysunek 5).
Zależny od czasu przebieg krzywych utraty masy jest ogólnie porównywalny, co sugeruje, że materiały ulegają rozkładowi termicznemu w podobny sposób. Jednak niższy ubytek masy zmodyfikowanych wariantów wskazuje na większe tworzenie się pozostałości podczas spalania.
Zwiększone tworzenie się pozostałości może zmniejszyć ilość lotnych produktów pirolizy, a tym samym wpłynąć na wytwarzanie dymu. Wyraźne tworzenie się pozostałości jest charakterystyczne dla systemów PVC i często wiąże się ze składnikami nieorganicznymi, a także procesami zwęglania podczas ekspozycji na ogień.
Stan próbek po pomiarze
Po zakończeniu pomiarów próbki wykazywały wyraźne różnice w strukturze i stabilności pozostałości (patrz rysunek 6). Podczas gdy wszystkie materiały wykazywały charakterystyczne zwęglenie, zakres i struktura powierzchni pozostałości różniły się między materiałem referencyjnym a zmodyfikowanymi wariantami.
Różnice te odzwierciedlają wcześniej zaobserwowane różnice w degradacji materiału i emisji dymu. Warto zauważyć, że zmodyfikowane warianty czasami wykazują bardziej zwartą strukturę pozostałości, potencjalnie wskazując na zmieniony Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład termiczny i większą stabilizację pozostałego materiału podczas ekspozycji na ogień. Obserwacje te są zgodne z wcześniej omówionymi różnicami w utracie masy i wydzielaniu dymu.
Podsumowanie
Kalorymetria stożkowa wykazała znaczące różnice w zachowaniu się dymu badanych materiałów PVC, podczas gdy zachowanie podczas zapłonu i szybkość wydzielania ciepła pozostały w dużej mierze porównywalne w identycznych warunkach testowych. Wszystkie materiały zapalały się w czasie od około 16 do 20 sekund i wykazywały umiarkowane szybkości wydzielania ciepła.
Najbardziej znaczącą różnicę między testowanymi materiałami zaobserwowano w rozwoju dymu. W szczególności wariant B wykazywał znacznie zmniejszone całkowite wydzielanie dymu, osiągając redukcję do 43% w porównaniu z materiałem referencyjnym. Zmniejszona emisja dymu może poprawić widoczność w przypadku pożaru, ułatwiając procedury ewakuacyjne i pracę personelu ratunkowego.
Zmodyfikowane warianty wykazały również niższe wartości ubytku masy niż materiał referencyjny. Wskazuje to na zwiększone tworzenie się pozostałości podczas spalania, co może być związane z mniejszym uwalnianiem lotnych produktów rozkładu, a tym samym zmniejszonym wytwarzaniem dymu.
Wyniki te pokazują, że ukierunkowane dostosowanie składu materiału może znacząco wpłynąć na zachowanie systemów PVC podczas pożaru i wydzielania dymu. Kalorymetria stożkowa umożliwia powtarzalną, ilościową charakterystykę kluczowych parametrów pożaru w określonych warunkach testowych.
Kalorymetr stożkowy NETZSCH TCC 918 oferuje zatem skuteczną metodę oceny porównawczej różnych preparatów materiałowych i wspiera procesy rozwojowe mające na celu optymalizację zachowania materiałów polimerowych podczas pożaru i wydzielania dymu.