Inledning
Materialens brandbeteende är en avgörande faktor vid säkerhetsbedömningar inom områden som konstruktion, transport och elektronik. NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter (figur 1) bestämmer viktiga brandparametrar baserat på principen om syreförbrukning, inklusive:
- O2-,CO2- och CO-koncentrationer
- Värmeavgivningshastighet (HRR)
- Genomsnittlig värmeavgivningshastighet (ARHE)
- Rökproduktionens hastighet (SPR)
- Massförlusthastighet (MLR)
- Tid till antändning (TOI)
- Tid till utflammning (TOF)
Dessa parametrar ger en heltäckande bild av det termiska brandbeteendet hos ett material, från antändning till flamsläckning, och utgör grunden för modellering och förutsägelse av verkliga brandhändelser.
Genom valfri koppling till Bruker OMEGA FT-IR-gasanalysator kan sammansättningen av de resulterande rökgaserna analyseras i detalj. Den kvantitativa detekteringen av många nedbrytnings- och förbränningsprodukter möjliggör omfattande bedömning av toxiska utsläpp och stöder utvecklingen av säkra, hållbara material.
Mätningsprincip
I TCC 918 exponeras provet för ett definierat värmeflöde med hjälp av en konisk värmare, antänds och förbränns under kontrollerade förhållanden. De resulterande rökgaserna överförs via ett avgassystem för vidare analys.
Som standard analyseras de relevanta rökgaserna, i synnerhetO2, CO ochCO2, med hjälp av en Siemens Oxymat/Ultramat gasanalysator. De uppmätta variablerna används för att beräkna värmeavgivningshastigheten (HRR) enligt syreförbrukningsprincipen.
Den valfria FT-IR-kopplingen utökar detta tillvägagångssätt och möjliggör även kvantitativ detektering av ytterligare nedbrytnings- och förbränningsprodukter. På så sätt kan rökgassammansättningen undersökas mycket mer i detalj, särskilt med avseende på giftiga komponenter.
OMEGA FT-IR-koppling
Kopplingen (bild 2) sker via en uppvärmd överföringsledning, på samma sätt som FT-IR-överföringsledningen i andra NETZSCH -analysatorer (t.ex. TG-FT-IR). Temperaturregleringen förhindrar kondensation, säkerställer snabb gastransport och möjliggör analys av rökgaserna i realtid.
FT-IR-spektroskopi kvantifierar samtidigt olika gaser baserat på deras karakteristiska absorptionsspektra. Detta gör det möjligt att detektera ett stort antal förbrännings- och nedbrytningsprodukter.
Förutom de typiska förbränningsgasernaCO2, CO ochH2Oingår kolväten (CH4, eten, etyn), halogenföreningar (HCl, HBr, HF), kväveföreningar (HCN, NH3, NO, NO2, N2O), organiska ämnen (akrolein, formaldehyd, bensen, fenol) och svavelföreningar (SO2).
Denna utökade gasanalys ger värdefull information om potentiellt giftiga biprodukter, särskilt i applikationer med höga brandsäkerhetskrav, t.ex. vid konstruktion av järnvägsfordon.
Typiska exempel är polyamider (PA), som ofta används i inredningsdetaljer, säten, kabelisolering och gjutna delar på grund av sin styrka och värmebeständighet. De förekommer också i offentliga byggnader och i hushåll, t.ex. i golvbeläggningar, möbler och elektriska komponenter. Som organiska polymerer kan de avge avsevärda mängder rök och giftiga gaser i händelse av brand, så detaljerad undersökning av deras brandbeteende är avgörande för säker användning.
Mätförhållanden
En PA6-textil med måtten 50 x 50 x 7 mm3 (8 lager) och en vikt på 10,58 g undersöktes. Testparametrarna sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Provhållare | Horisontell |
|---|---|
| Värmeflöde | 50 kW/m2 |
| Nominell flödeshastighet | 24.0 l/s |
| Avstånd till konvärmaren | 25 mm avstånd |
| Temperatur för FT-IR-gränssnitt | 180°C |
| Parametrar för FT-IR-mätning | Transmissionsläge; upplösning: 1 cm-1; medelvärdesbild per spektrum: 10 delar |
Classic Värden för mätning med konkalorimeter
Följande figurer visar de viktigaste classic brandparametrarna som ligger till grund för bedömningen av brandbeteendet:
Värmeavgivningshastigheten (HRR, bild 3) är ett mått på brandens intensitet och därmed en viktig indikator på potentiell fara.
Rökproduktionshastigheten (SPR, figur 4) ger information om siktförsämring och eventuell toxisk exponering.
Massförlusten (ML, bild 5) korrelerar direkt med materialets förbränning och ger information om stabilitet och restbildning.
Avancerad FT-IR-gasanalys
Förutom dessa etablerade parametrar ger kompletterande FT-IR-analys nu nya insikter i den kemiska sammansättningen av de producerade rökgaserna.
Med OMEGA FT-IR-kopplingen kunde rökgassammansättningen under förbränningen bestämmas exakt (bild 6).
Följande komponenter registrerades särskilt (se även figur 6):
- CO2 - Huvudprodukt från förbränning, korrelerar med syreförbrukning
- H2O- Vattenånga från nedbrytning av material och tillsatser
- CO - Indikator för ofullständig förbränning (färglös och luktfri kvävgas)
- NO - bildas från kväveföreningar i polyamiden
- N2O- Biprodukt vid OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation av nitroxen (mycket irriterande för luftvägarna)
- HCN - Mycket giftig, hämmar cellandningen
Den samtidiga detekteringen av dessa gaser möjliggör en omfattande utvärdering av materialen, både vad gäller deras termiska brandbeteende (HRR, SPR, MLR) och deras toxikologiska relevans.
Sammanfattning
Genom att koppla ihop TCC 918 Cone Calorimeter med Bruker OMEGA FT-IR gasanalysator utökas classic brandgasanalys till att omfatta samtidig detektering av många giftiga och brandrelevanta gaser. Förutom standardparametrarna för TCC 918 kan detaljerad information om rökgasens sammansättning erhållas.
Detta möjliggör en holistisk utvärdering av material med avseende på brandbeteende, toxiska utsläpp och säkerhetskrav - ett betydande mervärde för forskning, produktutveckling och säkerhetsbedömning.
Med denna kombination av exakt kalorimetri och modern FT-IR-spektroskopi erbjuder NETZSCH ett kraftfullt verktyg för innovativ materialanalys och säkerhetsbedömning vid brandprovning.