Introducere
Analiza comportamentului la foc al materialelor este o parte esențială a ingineriei siguranței. Calorimetrul conic TCC 918 (figura 1) este un dispozitiv de testare bine stabilit, utilizat pentru a determina parametrii cheie precum rata de eliberare a căldurii (HRR), pierderea de masă și emisiile de fum. Compoziția chimică a unui material, precum și parametrii fizici, cum ar fi geometria probei și comportamentul la foc, pot influența rezultatele măsurătorilor.
În conformitate cu ISO 5660-1, dimensiunile standard pentru epruvete sunt de 100 mm × 100 mm, cu o grosime cuprinsă între 6 mm și 50 mm. Prezenta investigație vizează analiza influenței grosimii eșantionului asupra rezultatelor măsurătorilor.
Configurarea și condițiile de testare
Au fost studiate nouă probe de PMMA cu grosimi de 7 mm, 14 mm și aproximativ 19 mm (trei măsurători pentru fiecare grosime).
Probele au fost așezate pe un suport orizontal pentru probe, care a fost montat pe o celulă de cântărire pentru a permite înregistrarea continuă a pierderii de masă. Căldura a fost aplicată cu ajutorul unui încălzitor electric conic cu o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate constantă a fluxului de căldură de 50 kW/m². Aprinderea a avut loc cu ajutorul unor aprinzătoare cu scânteie, după ce au fost eliberate suficiente gaze de piroliză. Gazele de ardere rezultate au fost analizate pentru a determina debitul masic, temperatura gazelor de ardere și concentrațiile de O₂, CO₂ și CO. Densitatea fumului a fost determinată prin transmisie luminoasă. Sistemul de analiză a gazelor (Siemens Oxymat/ Ultramat) a fost calibrat înainte de seria de măsurători, iar factorul C¹ a fost validat utilizând un arzător de metan. Condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Suport de probă | Orizontal |
| Eșantioane și grosimi | PMMA de aprox. 7, 14, 19 mm |
| Flux de căldură | 50 kW/m2 |
| Rata nominală a fluxului de căldură | 24.0 l/s |
| Distanța până la încălzitorul conic | 25 mm |
1FactorulC, definit în ISO 5660-1, este o constantă de calibrare utilizată pentru a determina rata de eliberare a căldurii (HRR). Acesta leagă semnalul de la analizorul de oxigen de energia termică eliberată efectiv.
Rezultatele măsurătorilor
Timpul de aprindere (TOI) și timpul de ardere până la stingere (TOF)
După cum era de așteptat, timpul de aprindere (TOI) este același pentru toate probele și este de 22 de secunde. Acest lucru sugerează că aprinderea este influențată în primul rând de proprietățile de suprafață, mai degrabă decât de grosimea materialului.
În schimb, timpul de ardere până la stingerea completă (Time of Flame-off, sau TOF) depinde în mod clar de grosimea probei. Probele de 7 mm au ars în medie 597 de secunde, probele de 14 mm în medie 857 de secunde, iar probele de 19 mm în medie 1108 secunde (a se vedea tabelul 2). În special, cu o creștere uniformă a grosimii probei, s-au observat, de asemenea, diferențe uniforme de timp în TOF. Acest lucru permite obținerea unei relații aproape liniare între TOF și grosimea probei, permițând o interpolare simplă pentru grosimi suplimentare.
Tabelul 2: Timpii medii de aprindere și ardere până la stingere
| Grosimea probelor | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Degajarea de căldură (HRR, THR)
Aspectul cheie al analizei este rata de eliberare a căldurii (HRR), care este definită ca cantitatea de căldură eliberată pe unitatea de timp.
Figura 2 prezintă curbele HRR pentru probe de PMMA de diferite grosimi: 7 mm (albastru), 14 mm (verde) și 19 mm (roșu). Evaluarea HRR relevă diferențe clare între grosimile probelor.
În timp ce HRR-ul maxim este comparabil pentru toate grosimile probelor (~880 kW/m²), punctul în care acesta apare se deplasează sistematic într-un moment ulterior, pe măsură ce grosimea probei crește. Acest lucru era de așteptat, deoarece materialele mai groase necesită mai mult timp pentru a se încălzi complet și a suferi PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza. În cazul probelor mai subțiri, componentele volatile sunt eliberate mai devreme.
Căldura totală degajată (THR) în timpul arderii corespunde integralei HRR în timp. Figura 3 prezintă curbele THR. După cum era de așteptat, valorile THR cresc odată cu grosimea probei.
Figura 4 prezintă relația liniară dintre grosimea probei și a) timpul maxim al HRR și b) degajarea totală de căldură. Corelația confirmă faptul că, în cazul combustiei complete, THR este determinată în principal de cantitatea de material utilizată. Relația liniară dintre grosimea probei, timpul de ardere până la stingerea completă (TOF) și THR indică faptul că toate probele au fost aproape complet transformate. Două măsurători individuale cu grosimi diferite ale probelor pot fi ușor convertite în valorile corespunzătoare pentru alte grosimi ale probelor.
Producerea fumului (SPR, TSP)
Un alt aspect important al investigației este înregistrarea dezvoltării fumului. Acest lucru se realizează prin măsurarea transmisiei luminii în fluxul de gaze arse. O rază laser este ghidată prin țeava de evacuare (a se vedea figura 5). Scăderea transmisiei indică o creștere a densității fumului.
În mod similar cu HRR, s-a observat că a fost nevoie de o perioadă mai lungă de timp pentru a atinge rata maximă de producere a fumului (SPR) pe măsură ce grosimea probei creștea. După cum se poate observa în figura 6, curbele SPR arată că probele mai subțiri eliberează rapid large cantități de fum, în timp ce probele mai groase eliberează fum pe o perioadă mai lungă de timp. Acest lucru reflectă întârzierea procesului de piroliză, probele mai groase având nevoie de mai mult timp pentru a se descompune complet.
Producția totală de fum (TSP), prezentată în figura 7, crește odată cu creșterea grosimii probei, așa cum era de așteptat.
Figura 8 arată relația aproape liniară dintre grosimea probei și TSP. Acest lucru confirmă faptul că, odată ce masa eșantionului a fost complet transformată, producția totală de fum este determinată în principal de cantitatea de material prezent.
Rezumat
Grosimea probei influențează considerabil parametrii de ardere în calorimetrul cu con. În timp ce timpul de aprindere rămâne în mare parte constant, timpul de ardere, THR și TSP cresc aproape liniar odată cu creșterea grosimii probei.
Aceste rezultate evidențiază importanța utilizării întotdeauna a unor probe cu grosimi identice pentru testele comparative ale materialelor, pentru a asigura rezultate fiabile și comparabile. Datorită liniarității observate, rezultatele măsurătorilor bazate pe doar două grosimi pot fi transferate și la alte grosimi prin interpolare sau extrapolare simplă.
Deoarece materialele cu grosimi diferite sunt adesea utilizate pentru aceleași aplicații în practică, este rezonabil să se efectueze teste în condiții specifice aplicației, cum ar fi cu grosimi tipice ale componentelor sau situații reale de instalare, pentru a obține o evaluare realistă a protecției împotriva incendiilor. Aceasta este singura modalitate de a evalua în mod fiabil comportamentul real la foc și de a face selecții bine fundamentate ale materialelor.