Jämförande analys av rökproduktionen i modifierade PVC-material med TCC 918 Cone Calorimeter

Inledning

Polyvinylklorid (PVC) används i många applikationer där ökade krav på brandsäkerhet gäller, t.ex. elkablar, byggprodukter och tekniska plastkomponenter. På grund av sin höga klorhalt uppvisar PVC ett relativt bra inneboende flamskydd och en tydlig restbildning vid termisk nedbrytning jämfört med många andra termoplaster.

Rökutveckling utgör dock en särskild säkerhetsutmaning i händelse av brand. Tät rök kan avsevärt försämra sikten och försvåra evakueringsinsatser.

Dessutom kan de gas- och partikelformiga nedbrytningsprodukter som finns i röken utgöra hälsorisker för människor och räddningspersonal.

För att specifikt minska rökproduktionen justeras ofta sammansättningen av PVC-material noggrant.

Konkalorimetri i enlighet med ISO 5660-1 är en av de etablerade metoderna för kvantitativ utvärdering av materialens brandbeteende. Den anses vara en av de mest meningsfulla laboratoriemetoderna för experimentell analys av brandprocesser och ger reproducerbara parametrar för antändningsbeteende, värmeavgivning, rökutveckling och massförlust under definierade värmeflödesförhållanden.

I denna Application Note presenteras testresultaten för fyra PVC-baserade material. Ett prov fungerar som referens, medan varianterna A, B och C representerar modifierade formuleringar som utformats för att minska rökutvecklingen. Studien syftar till att jämföra brand- och rökbeteendet hos dessa material under identiska testförhållanden med hjälp av konisk kalorimetri.

Mätförhållanden

Testerna utfördes med hjälp av NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter (se figur 1) i enlighet med ISO 5660-1. Detta är en väletablerad testanordning för att utföra experimentella analyser av brandbeteende under definierade värmeflödesförhållanden.

Provkropparna placerades horisontellt och utsattes för en konstant värmeflödestäthet på 50 kW/m². Under mätningen registrerades kontinuerligt värmeavgivningshastigheten (HRR⁾¹, massförlusten och parametrar som beskriver rökutvecklingen, särskilt rökproduktionshastigheten (SPR) och den totala rökavgivningen (TSR).

De viktigaste testparametrarna sammanfattas i tabell 1.

¹Värmeavgivningstakten är ett mått på en brands intensitet och den hastighet med vilken värme avges (kW/m²).

Tabell 1: Mätförhållanden

Figur 2 visar provkropparna i provhållaren före mätningen.

Antändningsbeteende och värmeavgivning

Alla de testade materialen antändes inom ett tidsintervall på cirka 16 till 20 sekunder. Detta antändningsbeteende är typiskt för PVC-system som utsätts för en extern värmeflödestäthet på 50 kW/m².

Överlag ligger värmeavgivningen på en måttlig nivå (figur 3). De största skillnaderna är uppenbara i den maximala värmeavgivningen (_HRRmax). Referensmaterialet uppvisar den högsta _HRRmax, medan variant A har den lägsta.

Överlag är dock skillnaderna begränsade, vilket innebär att det grundläggande förbränningsbeteendet hos de undersökta PVC-systemen kan anses vara jämförbart. Detta tyder på att materialmodifieringar främst påverkar rökbeteendet, medan de grundläggande förbränningsprocesserna förblir i stort sett oförändrade.

Rökproduktion som en viktig särskiljande parameter

Figur 4 visar att de mest uttalade skillnaderna mellan de testade materialen är tydliga i rökproduktionen.

Referensmaterialet (svart kurva) uppvisar det högsta totala rökutsläppet (^TSR2), medan varianten (grön kurva) i synnerhet uppvisar betydligt lägre rökutsläpp. Jämfört med referensmaterialet minskar det totala rökutsläppet med upp till cirka 43%.

Minskad rökutveckling kan förbättra sikten i händelse av brand, vilket underlättar evakuering och räddningsinsatser. I verkliga brandscenarier kan lägre rökproduktion bidra till att upprätthålla kritiska siktförhållanden under längre tid och därmed utöka den tillgängliga evakueringstiden.

Förutom den totala rökutvecklingen anger rökproduktionshastigheten (SPR) hur snabbt röken frigörs under brandförloppet. Denna parameter är relevant för säkerheten eftersom den påverkar hur snabbt kritiska siktförhållanden kan uppstå i händelse av en brand.

Trots jämförbara antändningstider och liknande värmeavgivningshastigheter skiljer sig materialen avsevärt i sitt rökbeteende. Resultaten visar att riktade materialmodifieringar kan minska rökutvecklingen avsevärt utan att väsentligt förändra det grundläggande förbränningsbeteendet hos PVC-system.

^2TSR(total rökutveckling) avser den kumulativa mängden rök som produceras under förbränningen och härleds från mätningar av laserljustransmittans, utvärderad baserat på ljusdämpning enligt Bouguer-Lamberts lag.

Massförlust

Den relativa massförlusten beskriver den termiska nedbrytningen av material under exponering för brand och gör det möjligt att dra slutsatser om deras nedbrytningsbeteende.

Referensmaterialet uppvisar den högsta relativa massförlusten, 23,95%. Däremot uppvisar varianterna A till C mycket likartade värden på ca 16,45% (figur 5).

Den tidsberoende kurvan för massförlusten är i allmänhet jämförbar, vilket tyder på att materialen genomgår termisk nedbrytning på ett liknande sätt. Den lägre massförlusten för de modifierade varianterna indikerar dock större restbildning under förbränningen.

Ökad restbildning kan minska mängden flyktiga pyrolysprodukter och därmed påverka rökutvecklingen. Utpräglad restbildning är karakteristiskt för PVC-system och förknippas ofta med oorganiska komponenter samt förkolningsprocesser under brandexponering.

Provernas tillstånd efter mätningen

Efter avslutad mätning uppvisade proverna tydliga skillnader i de kvarvarande restprodukternas struktur och stabilitet (se figur 6). Även om alla material uppvisade karakteristisk förkolning, skiljde sig omfattningen och ytstrukturen hos resterna mellan referensmaterialet och de modifierade varianterna.

Dessa skillnader återspeglar de tidigare observerade variationerna i materialnedbrytning och rökutsläpp. Framför allt uppvisar de modifierade varianterna ibland mer kompakta reststrukturer, vilket kan tyda på förändrad termisk nedbrytning och större stabilisering av det återstående materialet under brandexponeringen. Dessa observationer stämmer överens med de tidigare diskuterade skillnaderna i massförlust och rökutveckling.

Sammanfattning

Konkalorimetri avslöjade betydande skillnader i rökbeteendet hos de undersökta PVC-materialen, medan antändningsbeteendet och värmeavgivningen förblev i stort sett jämförbara under identiska testförhållanden. Alla material antändes inom ett tidsintervall på cirka 16 till 20 sekunder och uppvisade måttliga värmeavgivningshastigheter.

Den mest signifikanta skillnaden mellan de testade materialen observerades i rökutvecklingen. I synnerhet variant B uppvisade en signifikant minskad total rökutveckling, med en minskning på upp till 43% jämfört med referensmaterialet. Minskad rökutveckling kan förbättra sikten i händelse av brand, vilket underlättar evakueringsprocedurer och räddningspersonalens arbete.

De modifierade varianterna uppvisade också lägre massförlustvärden än referensmaterialet. Detta tyder på ökad restbildning under förbränningen, vilket kan vara förknippat med en lägre frigörelse av flyktiga nedbrytningsprodukter och därmed minskad rökutveckling.

Dessa resultat visar att riktade justeringar av materialsammansättningen kan ha en betydande inverkan på brand- och rökbeteendet hos PVC-system. Konkalorimetri möjliggör reproducerbar, kvantitativ karakterisering av viktiga brandparametrar under definierade testförhållanden.

NETZSCH Cone Calorimeter TCC 918 erbjuder därmed en kraftfull metod för jämförande utvärdering av olika materialformuleringar och stöder utvecklingsprocesser som syftar till att optimera brand- och rökbeteendet hos polymera material.