Введение
Анализ поведения материалов при пожаре является ключевой частью инженерной безопасности. Конусный калориметр TCC 918 (рис. 1) - это хорошо зарекомендовавшее себя испытательное устройство, используемое для определения таких ключевых параметров, как скорость тепловыделения (HRR), потеря массы и дымовые выбросы. Химический состав материала, а также физические параметры, такие как геометрия образца и поведение при пожаре, могут влиять на результаты измерений.
В соответствии с ISO 5660-1 стандартные размеры образцов для испытаний составляют 100 мм × 100 мм при толщине от 6 мм до 50 мм. Цель данного исследования - проанализировать влияние толщины образца на результаты измерений.
Установка и условия испытаний
Было исследовано девять образцов ПММА толщиной 7 мм, 14 мм и около 19 мм (по три измерения на каждую толщину).
Образцы помещались на горизонтальный держатель образцов, который был установлен на весовой ячейке для непрерывной регистрации потери массы. Нагрев осуществлялся с помощью электрического конусного нагревателя с постоянной плотностью теплового потока 50 кВт/м². Зажигание осуществлялось с помощью искровых запальников после выделения достаточного количества пиролизных газов. Полученные дымовые газы анализировались для определения массового расхода, температуры дымовых газов и концентрации O₂, CO₂ и CO. Плотность дыма определялась по светопропусканию. Газоаналитическая система (Siemens Oxymat/ Ultramat) была откалибрована перед серией измерений, а коэффициент C¹ был проверен с помощью метановой горелки. Условия измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Держатель образца | Горизонтальный |
| Образцы и толщина | ПММА примерно 7, 14, 19 мм |
| Тепловой поток | 50 кВт/м2 |
| Номинальная скорость теплового потока | 24.0 л/с |
| Расстояние до конусного нагревателя | 25 мм |
1КоэффициентC, определенный в стандарте ISO 5660-1, является калибровочной константой, используемой для определения скорости тепловыделения (HRR). Он связывает сигнал от анализатора кислорода с фактическим выделением тепловой энергии.
Результаты измерений
Время воспламенения (TOI) и время сгорания до полного исчезновения (TOF)
Как и ожидалось, время воспламенения (TOI) одинаково для всех образцов и составляет 22 секунды. Это говорит о том, что на воспламенение в первую очередь влияют свойства поверхности, а не толщина материала.
Напротив, время горения до полного погасания (Time of Flame-off, или TOF) явно зависит от толщины образца. 7-миллиметровые образцы горели в среднем 597 секунд, 14-миллиметровые - 857 секунд, а 19-миллиметровые - 1108 секунд (см. таблицу 2). Примечательно, что при равномерном увеличении толщины образца наблюдались и равномерные различия во времени TOF. Это позволяет получить почти линейную зависимость между TOF и толщиной образца, что дает возможность простой интерполяции для других толщин.
Таблица 2: Среднее время воспламенения и горения до потухания
| Толщина образцов | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 мм | 22 s | 597 s |
| 14 мм | 22 s | 857 s |
| 19 мм | 22 s | 1108 s |
Выделение тепла (HRR, THR)
Ключевым аспектом анализа является скорость тепловыделения (HRR), которая определяется как количество тепла, выделяемого в единицу времени.
На рис. 2 показаны кривые HRR для образцов ПММА различной толщины: 7 мм (синий), 14 мм (зеленый) и 19 мм (красный). Оценка HRR выявляет четкие различия между толщинами образцов.
Хотя максимальное значение HRR сопоставимо для всех толщин образцов (~880 кВт/м²), точка, в которой оно возникает, систематически смещается на более позднее время по мере увеличения толщины образца. Этого следовало ожидать, поскольку более толстым материалам требуется больше времени для полного нагрева и пиролиза. В более тонких образцах летучие компоненты высвобождаются раньше.
Полное выделение тепла (THR) при сгорании соответствует интегралу HRR по времени. На рисунке 3 представлены кривые THR. Как и ожидалось, значения THR увеличиваются с толщиной образца.
На рисунке 4 показана линейная зависимость между толщиной образца и а) временем максимума HRR и б) общим выделением тепла. Корреляция подтверждает, что при полном сгорании THR в основном определяется количеством используемого материала. Линейная зависимость между толщиной образца, временем сгорания до полного погасания (TOF) и THR указывает на то, что все образцы были практически полностью преобразованы. Два индивидуальных измерения с различной толщиной образца могут быть легко преобразованы в соответствующие значения для других толщин образца.
Производство дыма (SPR, TSP)
Еще одним важным аспектом исследования является регистрация развития дыма. Это достигается путем измерения светопропускания в потоке дымовых газов. Лазерный луч направляется через выхлопную трубу (см. рисунок 5). Уменьшение светопропускания указывает на увеличение плотности дыма.
Как и в случае с HRR, было замечено, что с увеличением толщины образца требуется больше времени для достижения максимальной скорости образования дыма (SPR). Как видно на рисунке 6, кривые SPR показывают, что более тонкие образцы быстро выделяют large количество дыма, в то время как толстые образцы выделяют дым в течение более длительного периода времени. Это отражает замедленный процесс пиролиза, при котором толстым образцам требуется больше времени для полного разложения.
Общее производство дыма (TSP), показанное на рисунке 7, как и ожидалось, увеличивается с увеличением толщины образца.
На рисунке 8 показана почти линейная зависимость между толщиной образца и TSP. Это подтверждает, что после полного преобразования массы образца общий выход дыма в основном определяется количеством присутствующего материала.
Резюме
Толщина образца значительно влияет на параметры горения в коническом калориметре. В то время как время воспламенения остается практически постоянным, время горения, THR и TSP увеличиваются почти линейно с увеличением толщины образца.
Эти результаты подчеркивают важность использования одинаковой толщины образцов для сравнительных испытаний материалов, чтобы обеспечить надежные и сопоставимые результаты. Благодаря наблюдаемой линейности результаты измерений, основанные только на двух толщинах, могут быть перенесены на другие толщины с помощью простой интерполяции или экстраполяции.
Поскольку на практике материалы разной толщины часто используются для одних и тех же целей, для получения реалистичной оценки огнезащиты целесообразно проводить испытания в специфических условиях, например, при типичной толщине компонентов или в реальных условиях монтажа. Только так можно достоверно оценить реальное поведение материала при пожаре и сделать обоснованный выбор материала.