Introdução
Analisar o comportamento dos materiais em relação ao fogo é uma parte fundamental da engenharia de segurança. O TCC 918 Cone Calorimeter (figura 1) é um dispositivo de teste bem estabelecido usado para determinar parâmetros importantes, como a taxa de liberação de calor (HRR), a perda de massa e as emissões de fumaça. A composição química de um material, bem como os parâmetros físicos, como a geometria da amostra e o comportamento do fogo, podem influenciar os resultados da medição.
De acordo com a norma ISO 5660-1, as dimensões padrão dos corpos de prova são 100 mm × 100 mm, com uma espessura entre 6 mm e 50 mm. Esta pesquisa tem como objetivo analisar a influência da espessura da amostra nos resultados da medição.
Configuração e condições do teste
Nove amostras de PMMA com espessuras de 7 mm, 14 mm e aproximadamente 19 mm (três medições por espessura) foram investigadas.
As amostras foram colocadas em um suporte de amostra horizontal, que foi montado em uma célula de pesagem para permitir o registro contínuo da perda de massa. O calor foi aplicado usando um aquecedor de cone elétrico com uma DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de fluxo de calor constante de 50 kW/m². A ignição ocorreu por meio de ignitores de faísca quando gases de PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise suficientes foram liberados. Os gases de combustão resultantes foram analisados para determinar a taxa de fluxo de massa, a temperatura do gás de combustão e as concentrações de O₂, CO₂ e CO. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade da fumaça foi determinada pela transmissão de luz. O sistema de análise de gás (Siemens Oxymat/Ultramat) foi calibrado antes da série de medições, e o fator C¹ foi validado usando um queimador de metano. As condições de medição estão resumidas na tabela 1.
Tabela 1: Condições de medição
| Suporte de amostra | Horizontal |
| Amostras e espessuras | PMMA de aprox. 7, 14, 19 mm |
| Fluxo de calor | 50 kW/m2 |
| Taxa nominal de fluxo de calor | 24.0 l/s |
| Distância até o aquecedor de cone | 25 mm |
1Ofator C, definido na norma ISO 5660-1, é uma constante de calibração usada para determinar a taxa de liberação de calor (HRR). Ele vincula o sinal do analisador de oxigênio à energia térmica real liberada.
Resultados da medição
Tempo de ignição (TOI) e tempo de combustão até a extinção (TOF)
Como esperado, o tempo de ignição (TOI) é o mesmo para todas as amostras e é de 22 segundos. Isso sugere que a ignição é influenciada principalmente pelas propriedades da superfície e não pela espessura do material.
Em contrapartida, o tempo de combustão até a extinção completa (Tempo de extinção da chama, ou TOF) depende claramente da espessura da amostra. As amostras de 7 mm queimaram por uma média de 597 segundos; as amostras de 14 mm, por uma média de 857 segundos; e as amostras de 19 mm, por uma média de 1108 segundos (consulte a tabela 2). Notavelmente, com um aumento uniforme na espessura da amostra, também foram observadas diferenças uniformes de tempo no TOF. Isso permite que seja derivada uma relação quase linear entre o TOF e a espessura da amostra, possibilitando uma interpolação simples para outras espessuras.
Tabela 2: Tempos médios de ignição e combustão até a extinção
| Espessura da amostra | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Liberação de calor (HRR, THR)
O principal aspecto da análise é a taxa de liberação de calor (HRR), que é definida como a quantidade de calor liberada por unidade de tempo.
A Figura 2 mostra as curvas de HRR para amostras de PMMA de diferentes espessuras: 7 mm (azul), 14 mm (verde) e 19 mm (vermelho). A avaliação da HRR revela diferenças claras entre as espessuras das amostras.
Embora a HRR máxima seja comparável para todas as espessuras de amostra (~880 kW/m²), o ponto em que ela ocorre muda sistematicamente para um momento posterior à medida que a espessura da amostra aumenta. Isso era esperado, pois materiais mais espessos precisam de mais tempo para aquecer completamente e sofrer PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise. Em amostras mais finas, os componentes voláteis são liberados mais cedo.
O calor total liberado (THR) durante a combustão corresponde à integral da HRR ao longo do tempo. A Figura 3 mostra as curvas de THR. Como esperado, os valores de THR aumentam com a espessura da amostra.
A Figura 4 mostra a relação linear entre a espessura da amostra e a) o tempo do máximo de HRR e b) a liberação total de calor. A correlação confirma que, com a combustão completa, a THR é essencialmente determinada pela quantidade de material usado. A relação linear entre a espessura da amostra, o tempo de combustão até a extinção completa (TOF) e a THR indica que todas as amostras foram quase totalmente convertidas. Duas medições individuais com diferentes espessuras de amostra podem ser facilmente convertidas em valores correspondentes para outras espessuras de amostra.
Produção de fumaça (SPR, TSP)
Outro aspecto importante da investigação é o registro do desenvolvimento da fumaça. Isso é feito medindo-se a transmissão de luz no fluxo de gás de combustão. Um feixe de laser é guiado pelo tubo de escapamento (consulte a figura 5). A diminuição da transmissão indica um aumento na DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade da fumaça.
Da mesma forma que a HRR, observou-se que foi necessário um período de tempo maior para atingir a taxa máxima de produção de fumaça (SPR) à medida que a espessura da amostra aumentava. Como pode ser visto na figura 6, as curvas SPR mostram que as amostras mais finas liberam rapidamente large quantidades de fumaça, enquanto as amostras mais espessas liberam fumaça por um período de tempo mais longo. Isso reflete o processo de PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise retardada, em que as amostras mais espessas levam mais tempo para se decompor completamente.
A produção total de fumaça (TSP), mostrada na figura 7, aumenta com o aumento da espessura da amostra, conforme esperado.
A Figura 8 mostra a relação quase linear entre a espessura da amostra e a TSP. Isso confirma que, uma vez que a massa da amostra tenha sido totalmente convertida, a saída total de fumaça é essencialmente determinada pela quantidade de material presente.
Resumo
A espessura da amostra influencia consideravelmente os parâmetros de fogo no Calorímetro de Cone. Embora o tempo de ignição permaneça praticamente constante, o tempo de queima, o THR e o TSP aumentam quase linearmente com o aumento da espessura da amostra.
Esses resultados destacam a importância de sempre usar espessuras de amostra idênticas para testes comparativos de materiais, a fim de garantir resultados confiáveis e comparáveis. Graças à linearidade observada, os resultados de medição baseados em apenas duas espessuras também podem ser transferidos para outras espessuras por meio de interpolação ou extrapolação simples.
Como materiais de diferentes espessuras são frequentemente usados para as mesmas aplicações na prática, é sensato realizar testes em condições específicas de aplicação, como com espessuras típicas de componentes ou situações reais de instalação, para obter uma avaliação realista da proteção contra incêndio. Essa é a única maneira de avaliar de forma confiável o comportamento real do fogo e fazer seleções de materiais bem fundamentadas.