Wprowadzenie
Analiza zachowania materiałów podczas pożaru jest kluczową częścią inżynierii bezpieczeństwa. Kalorymetr stożkowy TCC 918 (rysunek 1) jest dobrze znanym urządzeniem testowym używanym do określania kluczowych parametrów, takich jak szybkość uwalniania ciepła (HRR), utrata masy i emisja dymu. Skład chemiczny materiału, a także parametry fizyczne, takie jak geometria próbki i zachowanie podczas pożaru, mogą mieć wpływ na wyniki pomiarów.
Zgodnie z normą ISO 5660-1, standardowe wymiary próbek testowych wynoszą 100 mm × 100 mm, przy grubości od 6 mm do 50 mm. Niniejsze badanie ma na celu analizę wpływu grubości próbki na wyniki pomiarów.
Konfiguracja i warunki testu
Zbadano dziewięć próbek PMMA o grubości 7 mm, 14 mm i około 19 mm (trzy pomiary na grubość).
Próbki zostały umieszczone na poziomym uchwycie na próbki, który został zamontowany na wadze, aby umożliwić ciągłe rejestrowanie utraty masy. Ciepło zostało doprowadzone za pomocą elektrycznego grzejnika stożkowego o stałej gęstości strumienia ciepła 50 kW/m². Zapłon następował za pomocą zapalników iskrowych po uwolnieniu wystarczającej ilości gazów pirolitycznych. Powstałe gazy spalinowe analizowano w celu określenia szybkości przepływu masy, temperatury gazów spalinowych oraz stężeń O₂, CO₂ i CO. Gęstość dymu określono za pomocą transmisji światła. System analizy gazu (Siemens Oxymat / Ultramat) został skalibrowany przed serią pomiarów, a współczynnik C¹ został zweryfikowany przy użyciu palnika metanowego. Warunki pomiaru podsumowano w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Próbki i grubości | PMMA o grubości ok. 7, 14, 19 mm |
| Przepływ ciepła | 50 kW/m2 |
| Nominalne natężenie przepływu ciepła | 24.0 l/s |
| Odległość od grzałki stożkowej | 25 mm |
1WspółczynnikC, zdefiniowany w normie ISO 5660-1, jest stałą kalibracji używaną do określenia szybkości uwalniania ciepła (HRR). Łączy on sygnał z analizatora tlenu z rzeczywistą uwalnianą energią cieplną.
Wyniki pomiarów
Czas zapłonu (TOI) i czas spalania do wygaśnięcia (TOF)
Zgodnie z oczekiwaniami, czas zapłonu (TOI) jest taki sam dla wszystkich próbek i wynosi 22 sekundy. Sugeruje to, że na zapłon wpływają przede wszystkim właściwości powierzchni, a nie grubość materiału.
Natomiast czas spalania do całkowitego wygaśnięcia (Time of Flame-off, TOF) wyraźnie zależy od grubości próbki. Próbki o grubości 7 mm paliły się średnio przez 597 sekund; próbki o grubości 14 mm średnio przez 857 sekund; a próbki o grubości 19 mm średnio przez 1108 sekund (patrz tabela 2). Warto zauważyć, że przy równomiernym wzroście grubości próbki zaobserwowano również równomierne różnice w czasie TOF. Pozwala to na uzyskanie niemal liniowej zależności między TOF a grubością próbki, umożliwiając prostą interpolację dla kolejnych grubości.
Tabela 2: Średnie czasy zapłonu i spalania do wygaśnięcia
| Grubość próbki | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Uwalnianie ciepła (HRR, THR)
Kluczowym aspektem analizy jest szybkość uwalniania ciepła (HRR), która jest definiowana jako ilość ciepła uwalnianego w jednostce czasu.
Rysunek 2 przedstawia krzywe HRR dla próbek PMMA o różnych grubościach: 7 mm (niebieski), 14 mm (zielony) i 19 mm (czerwony). Ocena HRR ujawnia wyraźne różnice między grubościami próbek.
Podczas gdy maksymalny HRR jest porównywalny dla wszystkich grubości próbek (~880 kW/m²), punkt, w którym występuje, przesuwa się systematycznie w późniejszym czasie wraz ze wzrostem grubości próbki. Było to oczekiwane, ponieważ grubsze materiały wymagają więcej czasu na całkowite podgrzanie i pirolizę. W cieńszych próbkach lotne składniki są uwalniane wcześniej.
Całkowite ciepło uwolnione (THR) podczas spalania odpowiada całce HRR w czasie. Rysunek 3 przedstawia krzywe THR. Zgodnie z oczekiwaniami, wartości THR rosną wraz z grubością próbki.
Rysunek 4 przedstawia liniową zależność między grubością próbki a a) czasem maksimum HRR i b) całkowitym wydzielaniem ciepła. Korelacja potwierdza, że przy całkowitym spalaniu THR jest zasadniczo określona przez ilość użytego materiału. Liniowa zależność między grubością próbki, czasem spalania do całkowitego wygaszenia (TOF) i THR wskazuje, że wszystkie próbki zostały prawie całkowicie przekształcone. Dwa indywidualne pomiary z różnymi grubościami próbek można łatwo przekonwertować na odpowiednie wartości dla innych grubości próbek.
Produkcja dymu (SPR, TSP)
Innym ważnym aspektem badania jest rejestrowanie rozwoju dymu. Osiąga się to poprzez pomiar przepuszczalności światła w przepływie spalin. Wiązka laserowa jest prowadzona przez rurę wydechową (patrz rysunek 5). Zmniejszająca się transmisja wskazuje na wzrost gęstości dymu.
Podobnie jak w przypadku HRR, zaobserwowano, że osiągnięcie maksymalnej szybkości wytwarzania dymu (SPR) zajmuje więcej czasu wraz ze wzrostem grubości próbki. Jak widać na rysunku 6, krzywe SPR pokazują, że cieńsze próbki szybko uwalniają large ilości dymu, podczas gdy grubsze próbki uwalniają dym przez dłuższy okres czasu. Odzwierciedla to opóźniony proces pirolizy, w którym grubsze próbki potrzebują więcej czasu na całkowity Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład.
Całkowita produkcja dymu (TSP), pokazana na rysunku 7, wzrasta wraz ze wzrostem grubości próbki, zgodnie z oczekiwaniami.
Rysunek 8 pokazuje niemal liniową zależność między grubością próbki a TSP. Potwierdza to, że po całkowitym przekształceniu masy próbki całkowity wyrzut dymu jest zasadniczo określony przez ilość obecnego materiału.
Podsumowanie
Grubość próbki znacząco wpływa na parametry pożaru w kalorymetrze stożkowym. Podczas gdy czas zapłonu pozostaje w dużej mierze stały, czas spalania, THR i TSP rosną niemal liniowo wraz ze wzrostem grubości próbki.
Wyniki te podkreślają znaczenie stosowania zawsze identycznych grubości próbek do testów porównawczych materiałów w celu zapewnienia wiarygodnych i porównywalnych wyników. Dzięki zaobserwowanej liniowości wyniki pomiarów oparte tylko na dwóch grubościach można również przenieść na inne grubości za pomocą prostej interpolacji lub ekstrapolacji.
Ponieważ materiały o różnych grubościach są często używane do tych samych zastosowań w praktyce, rozsądne jest przeprowadzenie testów w warunkach specyficznych dla danego zastosowania, takich jak typowe grubości komponentów lub rzeczywiste sytuacje instalacyjne, aby uzyskać realistyczną ocenę ochrony przeciwpożarowej. Jest to jedyny sposób na wiarygodną ocenę rzeczywistego zachowania podczas pożaru i dokonanie uzasadnionego wyboru materiału.