Inledning
Att analysera materialens brandbeteende är en viktig del av säkerhetstekniken. TCC 918 Cone Calorimeter (figur 1) är en väletablerad testanordning som används för att bestämma viktiga parametrar som värmeavgivningshastighet (HRR), massförlust och rökutsläpp. Den kemiska sammansättningen av ett material, liksom fysiska parametrar som provgeometri och brandbeteende, kan påverka mätresultaten.
I enlighet med ISO 5660-1 är standardmåtten för provkroppar 100 mm × 100 mm, med en tjocklek mellan 6 mm och 50 mm. Denna undersökning syftar till att analysera inverkan av provkroppens tjocklek på mätresultaten.
Testuppställning och villkor
Nio PMMA-prover med tjocklekar på 7 mm, 14 mm och cirka 19 mm (tre mätningar per tjocklek) undersöktes.
Proverna placerades på en horisontell provhållare som var monterad på en vågcell för att möjliggöra kontinuerlig registrering av massförlusten. Värme tillfördes med hjälp av en elektrisk konvärmare med en konstant värmeflödestäthet på 50 kW/m². Tändning skedde med gnisttändare när tillräckligt med pyrolysgaser hade frigjorts. De resulterande rökgaserna analyserades för att bestämma massflödeshastigheten, rökgastemperaturen och koncentrationerna av O₂, CO₂ och CO. Rökdensiteten bestämdes med hjälp av ljustransmission. Gasanalyssystemet (Siemens Oxymat/ Ultramat) kalibrerades före mätserien, och C-faktorn¹ validerades med hjälp av en metanbrännare. Mätförhållandena sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Provhållare | Horisontell |
| Prover och tjocklekar | PMMA av ca 7, 14, 19 mm |
| Värmeflöde | 50 kW/m2 |
| Nominell värmeflödeshastighet | 24.0 l/s |
| Avstånd till konvärmaren | 25 mm |
1C-faktorn, som definieras i ISO 5660-1, är en kalibreringskonstant som används för att bestämma värmeavgivningshastigheten (HRR). Den kopplar signalen från syreanalysatorn till den faktiska värmeenergin som frigörs.
Resultat av mätning
Antändningstid (TOI) och tid för förbränning till utsläckning (TOF)
Som väntat är antändningstiden (TOI) densamma för alla prover och ligger på 22 sekunder. Detta tyder på att antändningen främst påverkas av ytegenskaper snarare än materialtjocklek.
Däremot beror tiden från förbränning till fullständig utsläckning (Time of Flame-off, eller TOF) tydligt på provets tjocklek. De 7 mm tjocka proverna brann i genomsnitt 597 sekunder, de 14 mm tjocka proverna i genomsnitt 857 sekunder och de 19 mm tjocka proverna i genomsnitt 1108 sekunder (se tabell 2). Med en enhetlig ökning av provtjockleken observerades också enhetliga tidsskillnader i TOF. Detta gör att ett nästan linjärt förhållande mellan TOF och provtjocklek kan härledas, vilket möjliggör enkel interpolering för ytterligare tjocklekar.
Tabell 2: Genomsnittliga tider för antändning och förbränning fram till utsläckning
| Provets tjocklek | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Värmeavgivning (HRR, THR)
Den viktigaste aspekten i analysen är värmeavgivningshastigheten (HRR), som definieras som den mängd värme som avges per tidsenhet.
Figur 2 visar HRR-kurvorna för PMMA-prover med olika tjocklek: 7 mm (blå), 14 mm (grön) och 19 mm (röd). Utvärderingen av HRR visar på tydliga skillnader mellan provtjocklekarna.
Medan den maximala HRR är jämförbar för alla provtjocklekar (~880 kW/m²), förskjuts tidpunkten för när den inträffar systematiskt till en senare tidpunkt när provtjockleken ökar. Detta var väntat, eftersom tjockare material kräver mer tid för att värmas upp helt och genomgå PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys. I tunnare prover frigörs flyktiga komponenter tidigare.
Den totala värme som frigörs (THR) under förbränningen motsvarar integralen av HRR över tiden. Figur 3 visar THR-kurvorna. Som väntat ökar THR-värdena med provets tjocklek.
Figur 4 visar det linjära sambandet mellan provets tjocklek och a) tiden för HRR-maximum och b) den totala värmeavgivningen. Sambandet bekräftar att THR, vid fullständig förbränning, i huvudsak bestäms av mängden använt material. Det linjära sambandet mellan provets tjocklek, tiden för förbränning till fullständig utsläckning (TOF) och THR indikerar att alla prover omvandlades nästan fullständigt. Två individuella mätningar med olika provtjocklekar kan enkelt omvandlas till motsvarande värden för andra provtjocklekar.
Rökproduktion (SPR, TSP)
En annan viktig aspekt av undersökningen är att registrera rökutvecklingen. Detta görs genom att mäta ljusgenomsläppligheten i rökgasflödet. En laserstråle leds genom avgasröret (se bild 5). Minskande transmission indikerar en ökning av röktätheten.
På samma sätt som för HRR observerades att det tog längre tid att nå den maximala rökproduktionshastigheten (SPR) när provets tjocklek ökade. Som framgår av figur 6 visar SPR-kurvorna att tunnare prover snabbt avger large mängder rök, medan tjockare prover avger rök under en längre tidsperiod. Detta återspeglar den fördröjda pyrolysprocessen, där tjockare prover tar längre tid på sig att brytas ned helt.
Den totala rökproduktionen (TSP), som visas i figur 7, ökar som väntat med ökande provtjocklek.
Figur 8 visar det nästan linjära förhållandet mellan provets tjocklek och TSP. Detta bekräftar att när provmassan har omvandlats helt och hållet bestäms den totala rökutvecklingen i huvudsak av mängden material som finns i provet.
Sammanfattning
Provets tjocklek påverkar avsevärt brandparametrarna i konkalorimetern. Medan antändningstiden förblir i stort sett konstant, ökar brinntiden, THR och TSP nästan linjärt med ökande provtjocklek.
Dessa resultat understryker vikten av att alltid använda identiska provtjocklekar vid jämförande materialtester för att säkerställa tillförlitliga och jämförbara resultat. Tack vare den observerade linjäriteten kan mätresultat som baseras på endast två tjocklekar också överföras till andra tjocklekar med hjälp av enkel interpolering eller extrapolering.
Eftersom material med olika tjocklekar ofta används för samma applikationer i praktiken är det klokt att utföra tester under applikationsspecifika förhållanden, t.ex. med typiska komponenttjocklekar eller verkliga installationssituationer, för att uppnå en realistisk brandskyddsbedömning. Detta är det enda sättet att på ett tillförlitligt sätt bedöma det faktiska brandbeteendet och göra välgrundade materialval.