Введение
Поливинилхлорид (ПВХ) используется во многих областях, где предъявляются повышенные требования к пожарной безопасности, например, в производстве электрических кабелей, строительных изделий и инженерных пластиковых компонентов. Благодаря высокому содержанию хлора ПВХ демонстрирует относительно хорошую внутреннюю огнестойкость и не образует остатков при термическом разложении по сравнению со многими другими термопластами.
Однако образование дыма представляет собой особую проблему для безопасности в случае пожара. Плотный дым может значительно ухудшить видимость и затруднить эвакуацию.
Кроме того, газообразные и твердые продукты разложения, содержащиеся в дыме, могут представлять опасность для здоровья людей и персонала аварийных служб.
Чтобы специально уменьшить образование дыма, состав ПВХ-материалов часто тщательно корректируется.
Конусная калориметрия в соответствии с ISO 5660-1 является одним из установленных методов количественной оценки поведения материалов при пожаре. Считаясь одним из наиболее значимых лабораторных методов экспериментального анализа пожарных процессов, он позволяет получить воспроизводимые параметры поведения при воспламенении, тепловыделения, дымообразования и потери массы при определенных условиях теплового потока.
В данном документе представлены результаты испытаний четырех материалов на основе ПВХ. Один образец служит в качестве эталона, а варианты A, B и C представляют собой модифицированные составы, предназначенные для снижения дымообразования. Цель исследования - сравнить поведение этих материалов в условиях пожара и дыма при идентичных условиях испытаний с помощью конусной калориметрии.
Условия измерения
Испытания проводились с помощью конусного калориметра NETZSCH TCC 918 (см. рис. 1) в соответствии с ISO 5660-1. Это хорошо зарекомендовавшее себя испытательное устройство для проведения экспериментального анализа поведения огня в определенных условиях теплового потока.
Образцы располагались горизонтально и подвергались воздействию постоянного теплового потока плотностью 50 кВт/м². Во время измерений непрерывно регистрировались скорость тепловыделения (HRR)1, потеря массы и параметры, характеризующие дымообразование, в частности скорость образования дыма (SPR) и общее дымовыделение (TSR).
Основные параметры испытания приведены в Таблице 1.
1Скоростьтепловыделения - это показатель интенсивности пожара и скорости выделения тепла (кВт/м²).
Таблица 1: Условия измерения
| Держатель образца | Горизонтальный |
| Тепловой поток | 50 кВт/м2 |
| Номинальная скорость теплового потока | 24.0 л/с |
| Расстояние до конусного нагревателя | 25 мм |
| Масса образца | 42.8 г - 51,5 г |
На рис. 2 показаны образцы в держателе образцов перед измерением.
Поведение при воспламенении и выделение тепла
Все испытанные материалы воспламенялись в течение времени от 16 до 20 секунд. Такое поведение при воспламенении типично для ПВХ-систем, подвергающихся воздействию внешнего теплового потока плотностью 50 кВт/м².
В целом, скорость тепловыделения остается на умеренном уровне (рис. 3). Основные различия проявляются в максимальной скорости тепловыделения (HRRmax). Эталонный материал демонстрирует самую высокую HRRmax, а вариант A - самую низкую.
В целом, однако, различия ограничены, а значит, основные характеристики горения исследованных ПВХ-систем можно считать сопоставимыми. Это позволяет предположить, что модификации материала в первую очередь влияют на поведение дыма, в то время как основные процессы горения остаются практически неизменными.
Дымообразование как ключевой дифференцирующий параметр
На рисунке 4 показано, что наиболее ярко выраженные различия между испытуемыми материалами проявляются в дымообразовании.
Эталонный материал (черная кривая) демонстрирует самое высокое общее дымовыделение (TSR2), в то время как вариант (зеленая кривая), в частности, показывает значительно меньшее дымовыделение. По сравнению с эталонным материалом общее выделение дыма уменьшилось примерно на 43 %.
Снижение дымовыделения может улучшить видимость в случае пожара, облегчая эвакуацию и действия по ликвидации последствий чрезвычайной ситуации. В реальных сценариях пожара снижение дымообразования помогает дольше сохранять критические условия видимости, тем самым увеличивая доступное время эвакуации.
Помимо общего количества выделяемого дыма, скорость образования дыма (SPR) показывает, насколько быстро дым выделяется во время развития пожара. Этот параметр имеет важное значение для безопасности, поскольку влияет на то, как быстро могут возникнуть критические условия видимости в случае пожара.
Несмотря на сопоставимое время воспламенения и схожую скорость выделения тепла, материалы значительно отличаются по поведению дыма. Результаты показывают, что целенаправленная модификация материала может значительно снизить выделение дыма без существенного изменения основных характеристик горения ПВХ-систем.
2TSR(общее дымовыделение) относится к совокупному количеству дыма, образующегося при горении, и определяется на основе измерений пропускания лазерного света, оцениваемого по ослаблению света в соответствии с законом Бугера-Ламберта.
Потеря массы
Относительная потеря массы характеризует термическую деструкцию материалов во время воздействия огня и позволяет сделать выводы об их разложении.
Эталонный материал демонстрирует самую высокую относительную потерю массы - 23,95 %. В отличие от него, варианты A - C демонстрируют очень близкие значения - около 16,45 % (рис. 5).
Зависимость кривых потери массы от времени в целом сопоставима, что говорит о том, что материалы подвергаются термическому разложению схожим образом. Однако меньшая потеря массы модифицированных вариантов указывает на большее образование остатков при сгорании.
Повышенное образование остатка может уменьшить количество летучих продуктов пиролиза и, таким образом, повлиять на образование дыма. Ярко выраженное образование остатков характерно для ПВХ-систем и часто связано с неорганическими компонентами, а также с процессами обугливания во время воздействия огня.
Состояние образцов после измерений
По завершении измерений образцы продемонстрировали явные различия в структуре и стабильности оставшихся остатков (см. рис. 6). Хотя все материалы демонстрировали характерное обугливание, степень и структура поверхности остатков различались между эталонным материалом и модифицированными вариантами.
Эти различия отражают наблюдавшиеся ранее различия в деградации материала и выделении дыма. Примечательно, что модифицированные варианты иногда демонстрируют более компактную структуру остатков, что может свидетельствовать об изменении процесса термического разложения и большей стабилизации оставшегося материала во время воздействия огня. Эти наблюдения согласуются с ранее рассмотренными различиями в потере массы и дымовыделении.
Резюме
Конусная калориметрия выявила значительные различия в поведении дыма исследуемых ПВХ-материалов, в то время как поведение при воспламенении и скорость выделения тепла оставались в значительной степени сопоставимыми при идентичных условиях испытаний. Все материалы воспламенялись в течение примерно 16-20 секунд и демонстрировали умеренную скорость тепловыделения.
Наиболее значительные различия между испытуемыми материалами наблюдались в развитии дыма. В частности, вариант B продемонстрировал значительно меньшее общее выделение дыма, сократив его на 43 % по сравнению с эталонным материалом. Уменьшение дымовыделения может улучшить видимость в случае пожара, облегчая процедуры эвакуации и работу аварийного персонала.
Модифицированные варианты также продемонстрировали более низкие значения потери массы по сравнению с эталонным материалом. Это свидетельствует об увеличении образования остатков при сгорании, что может быть связано с меньшим выделением летучих продуктов разложения и, следовательно, уменьшением дымообразования.
Эти результаты показывают, что целенаправленная корректировка состава материала может существенно повлиять на поведение ПВХ-систем в условиях пожара и задымления. Конусная калориметрия позволяет воспроизводить количественные характеристики ключевых параметров пожара в определенных условиях испытаний.
Таким образом, конусный калориметр NETZSCH TCC 918 предлагает мощный метод сравнительной оценки различных рецептур материалов и поддерживает процессы разработки, направленные на оптимизацию огнестойкости и дымообразования полимерных материалов.