Wprowadzenie
Badania ogniowe odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa osobistego, spełnieniu wymogów prawnych oraz zminimalizowaniu potencjalnych szkód materialnych poprzez ocenę zachowania materiałów i systemów w warunkach pożaru. Kontrolowane badania pozwalają sprawdzić, czy produkty są odporne na działanie wysokiej temperatury, ograniczają rozprzestrzenianie się ognia oraz gwarantują niezawodne działanie kluczowych systemów budowlanych, takich jak systemy sygnalizacji pożarowej i systemy gaśnicze, w sytuacji awaryjnej.
Badania ogniowe potwierdzają również zgodność z krajowymi i międzynarodowymi normami bezpieczeństwa przeciwpożarowego, które stanowią niezbędny warunek uzyskania pozwoleń na budowę i certyfikatów produktów. Jednocześnie ocenia się rzeczywistą skuteczność materiałów i systemów ochronnych, aby zapewnić wystarczającą ilość czasu na bezpieczną ewakuację oraz ograniczyć skutki pożaru.
Metoda TCC
Przeprowadzono badania materiału referencyjnego na bazie polimerów. W ramach projektu rozwojowego wyprodukowano kilka wariantów z celowymi modyfikacjami materiałowymi w celu systematycznej analizy ich wpływu na kluczowe parametry zachowania ogniowego.
Skupiono się na ustaleniu, w jakim stopniu parametry związane z zachowaniem ogniowym zmieniają się w porównaniu z materiałem referencyjnym, oraz na zidentyfikowaniu korelacji między tymi parametrami.
Do badań eksperymentalnych wykorzystano metodę „ TCC 918 ” (rysunek 1). Metoda ta umożliwia jednoczesne określenie kilku parametrów istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego, w tym:
- czas do zapłonu (TOI)
- Maksymalną szybkość wydzielania ciepła (HHRmax)
- Całkowite wydzielanie dymu (TSR)
- Ubytek masy podczas spalania
Kalorymetria stożkowa pozwala zatem na kompleksową charakterystykę zachowania się materiałów polimerowych w ogniu w określonych i powtarzalnych warunkach pożarowych.
Określenie szybkości wydzielania ciepła opiera się na zasadzie zużycia tlenu, zgodnie z którą wydzielone ciepło oblicza się na podstawie zmierzonego zużycia tlenu przez gazy spalinowe.
Warunki pomiaru
Pomiary przeprowadzono przy użyciu kalorymetru stożkowego firmy NETZSCH TCC 918 zgodnie z normą ISO 5660-1. Parametry pomiarowe przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiarowe
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Strumień ciepła | 50kW/m² |
| Nominalny przepływ ciepła | 24,0 l/s |
| Odległość od grzejnika stożkowego | 25 mm |
Próbki umieszczono poziomo w uchwycie do próbek i poddano działaniu stałej gęstości strumienia ciepła wynoszącej 50 kW/m². Obciążenie termiczne to odpowiada typowemu scenariuszowi pożarowemu, co pozwala na realistyczną ocenę zachowania się materiału w ogniu.
Podczas pomiaru w sposób ciągły rejestrowano szybkość wydzielania ciepła, wytwarzanie dymu oraz utratę masy.
Seria badań obejmowała następujące materiały:
- Materiał standardowy
- Warianty rozwojowe A, B, C i D
Wszystkie próbki były materiałami na bazie polimerów o następujących właściwościach geometrycznych:
- Powierzchnia: 100 x 100 mm
- Grubość: 3,3–3,9 mm
- Masa: 53–62 g
Chociaż podstawa materiałowa jest we wszystkich przypadkach porównywalna, warianty zostały specjalnie zmodyfikowane. Rysunek 2 przedstawia próbki w uchwycie przed pomiarem.
Wyniki pomiarów
Charakterystyka zapłonu – opóźnienie jako cel rozwojowy
Zmierzone czasy do zapłonu (TOI1) wynosiły od 69 s do 86 s.
Wariant A wykazał najdłuższy czas zapłonu wynoszący 86 s, podczas gdy materiał standardowy znalazł się w środkowej części zakresu badanych materiałów.
Wyniki pokazują, że ukierunkowane modyfikacje mogą zwiększyć odporność na zapłon. Dłuższy czas zapłonu oznacza, że materiał przechodzi do samozasilającego się spalania na późniejszym etapie przy identycznym obciążeniu termicznym.
1TOI(czas do zapłonu): przedział czasowy od początku uwalniania ciepła do momentu zapłonu próbki.
Uwalnianie ciepła – norma pozostaje punktem odniesienia
Maksymalne wartości szybkości wydzielania ciepła (HRRmax2) mieściły się w przedziale od 102 do 128kW/m² (patrz rysunek 3).
Materiał standardowy wykazał najniższą maksymalną szybkość wydzielania ciepła, podczas gdy warianty rozwojowe od A do D wykazały porównywalne lub nieco wyższe wartościHRRmax.
Nie zaobserwowano dodatkowego zmniejszenia maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w porównaniu z materiałem referencyjnym. W odniesieniu do maksymalnego wydzielania ciepła materiał standardowy pozostaje zatem punktem odniesienia.
Chociaż zaobserwowano jedynie umiarkowane różnice pod względem zachowania podczas zapłonu i maksymalnego wydzielania ciepła, między materiałami wystąpiły bardziej wyraźne różnice w zakresie wytwarzania dymu.
2HRRmax: maksymalna szybkość wydzielania ciepła; najwyższa zmierzona wartość HRR podczas badania oraz parametr określający maksymalną intensywność pożaru.
Wytwarzanie dymu – wyraźne różnice
Jak pokazano na rysunku 4, największe różnice między materiałami są widoczne w zakresie wytwarzania dymu.
Materiał standardowy charakteryzuje się najniższym całkowitym uwalnianiem dymu (TSR3). Wariant C wykazuje najwyższą produkcję dymu, podczas gdy warianty A, B i D plasują się w środkowym przedziale.
3TSR(Total Smoke Release – całkowita emisja dymu): Całkowita ilość dymu uwolniona podczas badania; parametr integralny służący do ilościowej oceny wytwarzania dymu w całym okresie trwania pożaru.
Wyniki te pokazują, że poprawa poszczególnych parametrów, takich jak czas zapłonu, niekoniecznie prowadzi do zmniejszenia emisji dymu. W związku z tym zachowanie materiałów polimerowych podczas pożaru stanowi wielowymiarowy problem optymalizacyjny, w którym zmiany składu materiału mogą w różny sposób wpływać na zachowanie podczas zapłonu, wydzielanie ciepła oraz wytwarzanie dymu.
Utrata masy – porównywalne mechanizmy degradacji
Względna utrata masy podczas pomiaru wynosiła od 14% do 21% (patrz rysunek 5). Przedstawienie wyników jako względnej utraty masy umożliwia bezpośrednie porównanie profili degradacji, pomimo niewielkich różnic w masie próbek. W przebiegu czasowym degradacji materiału między badanymi wariantami występują jedynie niewielkie różnice. Podobne profile krzywych sugerują, że wszystkie materiały ulegają rozkładowi termicznemu i spalaniu w porównywalny sposób. Materiał standardowy wykazuje nieco mniejszą utratę masy na początku spalania, a krzywe zbiegają się w miarę postępu procesu.
Opis próby po zakończeniu pomiaru
Po zakończeniu pomiarów zaobserwowano znaczne tworzenie się pozostałości dla wszystkich materiałów (rysunek 6). Różnice w strukturze, integralności i właściwościach powierzchniowych pozostałości korelują z różnicami zaobserwowanymi w profilu spalania.
Podsumowanie
Kalorymetria stożkowa z wykorzystaniem systemu NETZSCH TCC 918 umożliwia jednoczesny pomiar wydzielania ciepła, wytwarzania dymu oraz utraty masy, zapewniając kompleksową podstawę eksperymentalną do oceny i optymalizacji materiałów polimerowych pod kątem ich zachowania w ogniu.
Badanie wariantów materiału referencyjnego na bazie polimerów ujawnia istotne różnice w poszczególnych parametrach związanych z zachowaniem się w ogniu.
Spośród badanych materiałów wariant A osiąga najdłuższy czas zapłonu wynoszący 86 s, wykazując tym samym najwyższą odporność na zapłon.
Jednak materiał standardowy pozostaje punktem odniesienia pod względem maksymalnej szybkości wydzielania ciepła, ponieważ wykazuje najniższą wartośćHRRmax.
Materiał standardowy wykazuje również najkorzystniejsze właściwości w zakresie wytwarzania dymu, charakteryzując się najniższym całkowitym uwalnianiem dymu; natomiast wariant C wykazuje najwyższą produkcję dymu.
Względna utrata masy dla wszystkich materiałów mieści się w podobnym przedziale od 14 do 11%, co wskazuje na porównywalne mechanizmy rozkładu termicznego.
Wyniki pokazują, że jednoczesna optymalizacja wszystkich parametrów związanych z ogniem nie jest łatwa do osiągnięcia. Poprawa poszczególnych parametrów może wiązać się ze zmianami innych właściwości ogniowych.
Kalorymetria stożkowa pozwala na precyzyjne rozróżnienie nawet między bardzo podobnymi recepturami materiałów.