Введение
Испытания на огнестойкость играют решающую роль в обеспечении личной безопасности, соблюдении законодательных требований и минимизации потенциального материального ущерба, позволяя оценить поведение материалов и систем в условиях пожара. В ходе контролируемых испытаний проверяется, способны ли изделия выдерживать воздействие высокой температуры, сдерживать распространение огня и гарантировать надежную работу критически важных систем здания, таких как системы пожарной сигнализации и системы пожаротушения, в чрезвычайной ситуации.
Испытания на огнестойкость также подтверждают соответствие национальным и международным стандартам пожарной безопасности, которые являются обязательным условием для получения разрешений на строительство и сертификации продукции. Одновременно оцениваются фактические эксплуатационные характеристики материалов и систем защиты, чтобы убедиться в том, что они обеспечивают достаточное время для безопасной эвакуации и ограничивают последствия пожара.
Метод TCC
Был исследован эталонный материал на полимерной основе. В рамках проекта по разработке было изготовлено несколько вариантов с целенаправленными модификациями материала для систематического анализа их влияния на ключевые параметры пожарной безопасности.
Основное внимание уделялось определению степени изменения параметров, связанных с пожарной безопасностью, по сравнению с эталонным материалом, а также выявлению взаимосвязей между этими параметрами.
Для экспериментального исследования использовался метод « TCC 918 » (рис. 1). Данный метод позволяет одновременно определять несколько параметров, связанных с пожарной безопасностью, в том числе:
- Время до возгорания (TOI)
- Максимальную скорость выделения тепла (HHRmax)
- Общее количество выделяемого дыма (TSR)
- Потерю массы при горении
Таким образом, конусная калориметрия позволяет провести всестороннюю характеристику пожарного поведения материалов на полимерной основе в определенных и воспроизводимых условиях горения.
Определение скорости тепловыделения основано на принципе расхода кислорода, при котором выделяемое тепло рассчитывается по измеренному расходу кислорода в продуктах сгорания.
Условия измерения
Измерения проводились с использованием конусного калориметра компании « NETZSCH » ( TCC 918 ) в соответствии с требованиями стандарта ISO 5660-1. Параметры измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Держатель образца | Горизонтальное положение |
| Тепловой поток | 50кВт/м² |
| Номинальный расход тепла | 24,0 л/с |
| Расстояние до конусного нагревателя | 25 мм |
Образцы были размещены в горизонтальном положении в держателе для образцов и подвергались воздействию постоянной плотности теплового потока 50 кВт/м². Такая тепловая нагрузка соответствует типичному сценарию пожара, что позволяет провести реалистичную оценку поведения материала при пожаре.
В ходе измерений непрерывно регистрировались скорость выделения тепла, образование дыма и потеря массы.
Серия испытаний включала следующие материалы:
- Стандартный материал
- Варианты разработки A, B, C и D
Все образцы представляли собой материалы на полимерной основе со следующими геометрическими характеристиками:
- Площадь: 100 × 100 мм
- Толщина: 3,3–3,9 мм
- Масса: 53–62 г
Хотя основа материала во всех случаях сопоставима, варианты были специально модифицированы. На рисунке 2 показаны образцы в держателе перед измерением.
Результаты измерений
Характеристики зажигания — задержка как цель разработки
Измеренное время до воспламенения (TOI1) колебалось от 69 с до 86 с.
Вариант А продемонстрировал самое длительное время до возгорания — 86 с, тогда как стандартный материал оказался в среднем диапазоне среди испытуемых материалов.
Результаты показывают, что целенаправленные модификации могут повысить сопротивление возгоранию. Более длительное время до возгорания означает, что при одинаковой тепловой нагрузке материал переходит к самоподдерживающемуся горению на более поздней стадии.
1TOI(время до возгорания): промежуток времени от начала выделения тепла до момента возгорания образца.
Тепловыделение — стандарт по-прежнему служит эталоном
Максимальные значения скорости тепловыделения (HRRmax2) находились в диапазоне от 102 до 128кВт/м² (см. рисунок 3).
Стандартный материал продемонстрировал самую низкую максимальную скорость тепловыделения, тогда как исследуемые варианты от A до D показали сопоставимые или слегка более высокие значенияHRRmax.
Дополнительного снижения максимальной интенсивности тепловыделения по сравнению с эталонным материалом не наблюдалось. Таким образом, в отношении максимального тепловыделения стандартный материал по-прежнему остается эталоном.
Хотя в плане воспламеняемости и максимального тепловыделения наблюдались лишь умеренные различия, между материалами проявились более выраженные различия в отношении дымообразования.
2HRRmax: максимальная скорость тепловыделения; наивысшее измеренное значение HRR в ходе испытания и параметр, характеризующий максимальную интенсивность горения.
Выделение дыма — явные различия
Как показано на рисунке 4, наибольшие различия между материалами проявляются в образовании дыма.
Стандартный материал демонстрирует наименьшее общее выделение дыма (TSR3). Вариант C демонстрирует наибольшее выделение дыма, тогда как варианты A, B и D находятся в среднем диапазоне.
3TSR(Total Smoke Release, общее количество выделяемого дыма): общее количество дыма, выделяемого в ходе испытания; интегральный параметр для количественной оценки дымообразования в течение всего времени горения.
Эти результаты показывают, что улучшение отдельных параметров, таких как время возгорания, не всегда приводит к снижению дымовыделения. Таким образом, поведение полимерных материалов при возгорании представляет собой многомерную оптимизационную задачу, в которой изменения состава материала могут по-разному влиять на характеристики возгорания, тепловыделение и дымообразование.
Потеря массы — сопоставимые механизмы деградации
Относительная потеря массы в ходе измерения колебалась от 14 % до 21 % (см. рис. 5). Выражение результатов в виде относительной потери массы позволяет проводить прямое сравнение профилей разложения, несмотря на незначительные различия в массе образцов. В динамике разложения материалов между исследуемыми вариантами наблюдаются лишь незначительные различия. Схожие профили кривых позволяют предположить, что все материалы подвергаются термическому разложению и горению сопоставимым образом. У стандартного материала в начале горения наблюдается несколько меньшая потеря массы, однако по мере продолжения процесса кривые сходятся.
Описание образца после измерения
По завершении измерений для всех материалов было отмечено образование значительного количества остатков (рисунок 6). Различия в структуре, целостности и поверхностных характеристиках остатков коррелируют с наблюдаемыми различиями в профиле сгорания.
Резюме
Конусная калориметрия с использованием системы « NETZSCH » ( TCC 918 ) позволяет одновременно измерять тепловыделение, образование дыма и потерю массы, обеспечивая всестороннюю экспериментальную основу для оценки и оптимизации полимерных материалов с точки зрения их пожарных характеристик.
Исследование вариантов эталонного материала на полимерной основе выявляет значительные различия в отдельных параметрах, связанных с пожарной безопасностью.
Среди испытанных материалов вариант A демонстрирует самое длительное время воспламенения — 86 с, что свидетельствует о его наибольшей огнестойкости.
Однако стандартный материал по-прежнему служит эталоном в отношении максимальной скорости выделения тепла, поскольку у него зафиксирована самая низкая величинаHRRmax.
Стандартный материал также демонстрирует наиболее благоприятные характеристики дымообразования с наименьшим общим выделением дыма; в то время как вариант C демонстрирует наибольшее дымообразование.
Относительная потеря массы для всех материалов находится в схожем диапазоне от 14 до 11 %, что указывает на сопоставимые механизмы термического разложения.
Результаты показывают, что одновременная оптимизация всех параметров, связанных с пожарной безопасностью, не является легко достижимой задачей. Улучшение отдельных параметров может сопровождаться изменениями других характеристик пожарной безопасности.
Конусная калориметрия позволяет проводить точную дифференциацию даже между близкородственными составами материалов.