Wprowadzenie
Materiały izolacyjne odgrywają kluczową rolę w konstrukcji fasad w branży budowlanej: Zmniejszają przenoszenie ciepła, zimna, dźwięku, a w niektórych przypadkach także wilgoci między obszarami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Zmniejsza to zużycie energii w budynku, utrzymuje bardziej stabilny klimat w pomieszczeniach i znacznie zwiększa komfort życia.
Do czego służą materiały izolacyjne?
- Izolacja termiczna: Minimalizuje straty ciepła w zimie i zapobiega przegrzaniu w lecie.
- Ochrona przed wilgocią: Niektóre materiały regulują wilgotność i zapobiegają kondensacji.
- Izolacja akustyczna: Materiały izolacyjne redukują dźwięki powietrzne i uderzeniowe
- Ochrona przeciwpożarowa: Niektóre materiały izolacyjne stanowią barierę dla ognia lub opóźniają jego rozprzestrzenianie się.
Materiały izolacyjne znacząco przyczyniają się do efektywności energetycznej, ochrony przed hałasem i wilgocią oraz bezpieczeństwa pożarowego budynków. Oprócz właściwości termicznych, coraz ważniejsze staje się zachowanie podczas pożaru, ponieważ ma ono znaczący wpływ na rozprzestrzenianie się ognia, powstawanie dymu i bezpieczeństwo ewakuacji.
Kalorymetr stożkowy TCC 918 (rysunek 1) zgodnie z normą ISO 5660-1 jest uznaną metodą testową służącą do ilościowej oceny zachowania materiałów podczas pożaru pod wpływem określonych efektów cieplnych.
W niniejszej nocie aplikacyjnej przetestowano i porównano różne warianty materiałów izolacyjnych przy użyciu kalorymetru stożkowego NETZSCH TCC 918 .
Warunki pomiaru
Pięć wariantów izolacji o różnych formułach i kolorach (biały, czerwony i trzy odcienie szarości) przetestowano w kalorymetrze stożkowym TCC 918 w celu zbadania zachowania ognia.
Urządzenie to rejestruje różne parametry, w tym szybkość uwalniania ciepła (HRR), czas do zapłonu (TOI) i całkowitą produkcję dymu (TSP). Umożliwia również przewidywanie rozwoju pożaru.
Wszystkie testy zostały przeprowadzone w identycznych warunkach zgodnie z normą ISO 5660-1, aby zapewnić bezpośrednią i znaczącą porównywalność.
Każdy z badanych materiałów izolacyjnych (rysunek 2) był wielokrotnie mierzony przy użyciu pojedynczych próbek.
Zakres testów wyszczególniono w tabeli 1, a warunki pomiarów w tabeli 2. Każda próbka różnych materiałów izolacyjnych była mierzona niezależnie i w identycznych warunkach.
Warunki środowiskowe w laboratorium pozostawały stabilne przez całą serię testów z przybliżoną temperaturą od 24 do 25°C i wilgotnością względną od 22 do 23%.
Tabela 1: Zakres próbek testowych
| Identyfikator producenta | Kolor | Liczba zmierzonych próbek |
|---|---|---|
| Próbka W | biały | 4 |
| Próbka R | czerwony | 3 |
| Próbka G4 | szary1 | 3 |
| Próbka G5 | szary2 | 3 |
| Próbka G6 | gray2 | 3 |
Tabela 2: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Przepływ ciepła | 25 kW/m2 |
| Nominalne natężenie przepływu | 24.0 l/s |
| Odległość od grzałki stożkowej | 25 mm |
Wyniki pomiarów i przeglądy porównawcze
Wszystkie wnioski przedstawione w tej sekcji opierają się wyłącznie na wynikach pomiarów poszczególnych próbek.
Zachowanie podczas zapłonu
Czas zapłonu (TOI1) ocenia, jak szybko materiał zapala się po wystawieniu na działanie określonego poziomu ciepła. Próbka została wystawiona na stałe promieniowanie cieplne o wartości 25 kW/m². Czas od rozpoczęcia napromieniowania do pierwszego widocznego pojawienia się płomieni jest definiowany jako czas zapłonu. Ten znacznik czasu jest bezpośrednio wyświetlany w ocenie oprogramowania kalorymetru stożkowego jako wartość TOI.
Krótki czas zapłonu wskazuje, że materiał jest wysoce łatwopalny, pochłania energię i szybko się nagrzewa, co powoduje wczesny zapłon gazowych produktów pirolizy. Bardziej ognioodporne materiały wymagają więcej energii do podgrzania i poddania pirolizie, co skutkuje opóźnionym zapłonem.
We wszystkich testowanych materiałach występują wyraźne i spójne różnice w zachowaniu podczas zapłonu. Porównanie można znaleźć na rysunku 3.
- Biały wariant badanych próbek ma najkrótszy czas zapłonu, a tym samym najniższą odporność na promieniowanie cieplne. Skutkuje to średnim czasem zapłonu wynoszącym 414 s.
- Wariant czerwony ma średnią odporność na zapłon, zapala się później niż wariant biały, ale wcześniej niż warianty szare. Średni czas zapłonu wynosi tutaj 599 s.
- Szare warianty konsekwentnie wykazują najdłuższe czasy zapłonu. Obliczony średni czas zapłonu wynosi 862 s, co wskazuje na zwiększoną odporność na zastosowany przepływ ciepła.
Oznacza to, że szare materiały wykazują najwyższą odporność na zastosowane promieniowanie cieplne.
1Czasdo zapłonu (TOI) określa, jak szybko w materiale następuje płonące spalanie. (NTA_Cone_Calorimeter_en_web.pdf, s. 7).
Intensywność wydzielania ciepła i rozwój pożaru
Szybkość wydzielania ciepła (HRR2) jest jednym z kluczowych parametrów wykorzystywanych do oceny intensywności pożaru. Jest on uważany za siłę napędową pożaru: im wyższy HRR, tym większa palność i potencjalne zagrożenie pożarowe.
Szczytowa szybkość uwalniania ciepła (szczytowa HRR) wskazuje moment, w którym materiał uwalnia najwięcej ciepła, co jest szczególnie niebezpieczne w sytuacjach awaryjnych, ponieważ przyczynia się do szybkiego i intensywnego rozprzestrzeniania się ognia.
Szczytowa wartość HRR umożliwia dokonywanie jasnych i prostych porównań między różnymi materiałami i formułami.
Rysunki od 4 do 6 przedstawiają krzywe pomiaru szybkości wydzielania ciepła dla różnych materiałów izolacyjnych.
2Współczynnikwydzielania ciepła (HRR) jest miarą ilości ciepła uwalnianego w jednostce czasu podczas spalania materiału. (NTA_Fire_Testing_Systems_en_web.pdf s. 6)
Tabela 3 przedstawia maksymalne współczynniki wydzielania ciepła (szczytowe HRR3) dla różnych materiałów izolacyjnych.
Aby poprawić porównywalność, obliczono średnie szczytowe wartości HRR dla każdego wariantu materiału.
Na podstawie wyników można wyciągnąć następujące wnioski:
- wariant biały: ok. 572 kW/m² → bardzo wysoka intensywność pożaru
- wariant czerwony: ok. 306 kW/m² → średnia do bardzo wysokiej intensywność pożaru
- wariant szary: ok. 289 kW/m² → średnia intensywność pożaru
Tak więc białe materiały wykazują najbardziej intensywne wydzielanie ciepła po zapłonie, podczas gdy szare warianty charakteryzują się niższymi wartościami szczytowymi HRR.
3Peak-HRR- maksymalna szybkość wydzielania ciepła (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)
Tabela 3: Porównanie szczytowego HRR
| iD grupy | Kolor | Wartości szczytowe HRR (kW/m²) | Szczytowy zakres HRR (kW/m²) | Średnia wartość szczytowa HRR (kW/m²) | Obserwowana intensywność pożaru |
|---|---|---|---|---|---|
| Próbka W | biały | 496.2/548.3/596.9/647.4 | 496-647 | 572.2 | Bardzo wysoka |
| Próbka R | czerwony | 345,4 / 252,9 / 319,2 | 254-345 | 305.8 | Średnia do wysokiej |
| Próbka G4 | szary1 | 301.1/282.6/294.8 | 283-301 | 292.8 | Średnia |
| Próbka G5 | szary2 | 283.1/309.4/ 295.6 | 283-309 | 269.0 | Średnia |
| Próbka G6 | szary2 | 258.7/272.3/304.8 | 259-305 | 278.6 | Średnia |
Intensywność wzrostu pożaru
Maksymalna średnia szybkość wydzielania ciepła (MARHE4) ilustruje różnice w intensywności wzrostu pożaru, ponieważ reprezentuje wygładzone w czasie maksymalne wydzielanie ciepła podczas testu, umożliwiając porównanie zachowania się ognia różnych materiałów.
Rysunek 7 przedstawia wartości MARHE (maksymalna średnia szybkość emisji ciepła) dla różnych próbek materiałów, zróżnicowanych według koloru: białego, czerwonego i szarego. Wartości są przedstawione w postaci pionowych słupków, z odpowiednim oznaczeniem próbki pod każdym słupkiem. Wartości MARHE wskazują maksymalne średnie wydzielanie ciepła podczas całego testu ogniowego.
4MARHE- Wartość (maks. średnia szybkość wydzielania ciepła) to maksymalna szybkość wydzielania ciepła określona podczas testu z użyciem kalorymetru stożkowego zgodnie z normą ISO 5660-1.
Interpretacja
- Próbki z kategorii białej wykazują głównie wartości MARHE w zakresie od 76,7 kW/m² do 90 kW/m²
- Kilka próbek wykazuje wartości powyżej 80 kW/m², a dwie z nich nawet blisko 90 kW/m².
→ Białe materiały mają najwyższe wartości MARHE, reprezentujące najbardziej krytyczne zachowanie pożaru, co odpowiada wysokim szczytowym wartościom HRR i wskazuje na szybki rozwój pożaru.
- Próbki kategorii czerwonej znajdują się w środkowym zakresie i wykazują znaczne wahania: Wartości: 56.5 kW/m², 37,7 kW/m², 57,6 kW/m².
→ Czerwone próbki wykazują umiarkowanie wysokie zachowanie podczas pożaru, z pewnymi różnicami w zależności od próbki.
- Próbki z szarej kategorii mają w większości najniższe wartości MARHE, ale są też dwie wartości odstające.
- Główny zakres wynosi od 39 do 60 kW/m².
→ Szare próbki mają w większości najniższe wartości MARHE, co wskazuje na bardziej kontrolowany wzrost pożaru.
Rozwój dymu
Całkowity rozwój dymu (TSP5) opisuje całkowitą ilość dymu uwolnionego podczas testu kalorymetru stożkowego zgodnie z normą ISO 5660-1 i jest kluczowym parametrem do oceny zachowania dymu.
Całkowity rozwój dymu różni się znacznie między preparatami (rysunki 8-10).
- Wszystkie szare materiały osiągają swoje końcowe plateau po około 25 minutach, zapewniając typowe wartości między 1650 m² a 1950 m².
- Białe materiały wykazują umiarkowaną całkowitą produkcję dymu, z wartościami w zakresie od 1450 m² do 1650 m². Końcowe plateau osiągane jest już po 15 minutach.
- Warianty czerwone wykazują najniższe całkowite wydzielanie dymu spośród wszystkich testowanych materiałów. Wartości osiągają swoje plateau po 18 minutach między 1290 m² a 1350 m².
5TotalSmoke Production (TSP) opisuje całkowitą ilość dymu wytwarzanego przez cały czas trwania pożaru (zgodnie z ISO 5660-1)
Podsumowanie
Pomiary przeprowadzone za pomocą kalorymetru stożkowego TCC 918 TCC 918 wyraźnie pokazują powtarzalne różnice w zachowaniu podczas pożaru badanych materiałów izolacyjnych.
Parametry ilościowe, takie jak czas zapłonu, szybkość wydzielania ciepła, intensywność wzrostu pożaru i rozwój dymu, mogą być wykorzystane do wyraźnego scharakteryzowania i bezpośredniego porównania palności, dynamiki pożaru i zachowania dymu.
Wyniki wyraźnie pokazują wpływ różnych formuł materiałów i oferują solidne podstawy do rozwoju materiałów, optymalizacji formuł i analizy porównawczej w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym.