Giriş
Malzemelerin yangın davranışını analiz etmek güvenlik mühendisliğinin önemli bir parçasıdır. TCC 918 Koni Kalorimetresi (Şekil 1) ısı salınım hızı (HRR), kütle kaybı ve duman emisyonları gibi temel parametreleri belirlemek için kullanılan köklü bir test cihazıdır. Bir malzemenin kimyasal bileşiminin yanı sıra numune geometrisi ve yangın davranışı gibi fiziksel parametreler de ölçüm sonuçlarını etkileyebilir.
ISO 5660-1 uyarınca, test numuneleri için standart boyutlar 100 mm × 100 mm'dir ve kalınlıkları 6 mm ile 50 mm arasındadır. Bu araştırma, numune kalınlığının ölçüm sonuçları üzerindeki etkisini analiz etmeyi amaçlamaktadır.
Test Kurulumu ve Koşulları
Kalınlıkları 7 mm, 14 mm ve yaklaşık 19 mm olan dokuz PMMA numunesi (kalınlık başına üç ölçüm) incelenmiştir.
Numuneler, kütle kaybının sürekli olarak kaydedilmesini sağlamak için bir tartım hücresine monte edilen yatay bir numune tutucu üzerine yerleştirilmiştir. Isı, 50 kW/m² sabit ısı akısı yoğunluğuna sahip bir elektrikli koni ısıtıcı kullanılarak uygulanmıştır. Ateşleme, yeterli PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz gazı açığa çıktıktan sonra kıvılcım ateşleyiciler aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Ortaya çıkan baca gazları, kütle akış hızını, baca gazı sıcaklığını ve O₂, CO₂ ve CO konsantrasyonlarını belirlemek için analiz edilmiştir. Duman yoğunluğu ışık geçirgenliği ile belirlenmiştir. Gaz analiz sistemi (Siemens Oxymat/ Ultramat) ölçüm serisinden önce kalibre edilmiş ve C faktörü¹ bir metan brülörü kullanılarak doğrulanmıştır. Ölçüm koşulları tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Örnek tutucu | Yatay |
| Numuneler ve kalınlıklar | Yaklaşık 7, 14, 19 mm PMMA |
| Isı akışı | 50 kW/m2 |
| Nominal ısı akış hızı | 24.0 l/s |
| Koni ısıtıcıya olan mesafe | 25 mm |
1ISO 5660-1'de tanımlanan C faktörü, ısı salınım oranını (HRR) belirlemek için kullanılan bir kalibrasyon sabitidir. Oksijen analizöründen gelen sinyali salınan gerçek ısı enerjisine bağlar.
Ölçüm Sonuçları
Tutuşma Süresi (TOI) ve Yok Olana Kadar Yanma Süresi (TOF)
Beklendiği gibi, tutuşma süresi (TOI) tüm numuneler için aynıdır ve 22 saniyedir. Bu da tutuşmanın malzeme kalınlığından ziyade yüzey özelliklerinden etkilendiğini göstermektedir.
Buna karşılık, tamamen sönene kadar yanma süresi (Alev Alma Süresi veya TOF) açıkça numune kalınlığına bağlıdır. 7 mm'lik numuneler ortalama 597 saniye; 14 mm'lik numuneler ortalama 857 saniye; 19 mm'lik numuneler ise ortalama 1108 saniye yanmıştır (bkz. Tablo 2). Özellikle, numune kalınlığında eşit bir artışla, TOF'de de eşit zaman farklılıkları gözlenmiştir. Bu, TOF ile numune kalınlığı arasında neredeyse doğrusal bir ilişki elde edilmesini sağlayarak daha fazla kalınlık için basit enterpolasyona olanak tanır.
Tablo 2: Sönmeye kadar ortalama tutuşma ve yanma süreleri
| Örnek kalınlıkları | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Isı Salınımı (HRR, THR)
Analizin kilit yönü, birim zamanda açığa çıkan ısı miktarı olarak tanımlanan ısı salınım oranıdır (HRR).
Şekil 2, farklı kalınlıklardaki PMMA numuneleri için HRR eğrilerini göstermektedir: 7 mm (mavi), 14 mm (yeşil) ve 19 mm (kırmızı). HRR değerlendirildiğinde numune kalınlıkları arasında belirgin farklılıklar ortaya çıkmaktadır.
Maksimum HRR tüm numune kalınlıkları için karşılaştırılabilir olsa da (~880 kW/m²), meydana geldiği nokta numune kalınlığı arttıkça sistematik olarak daha geç bir zamana kaymaktadır. Daha kalın malzemelerin tamamen ısınması ve pirolize uğraması için daha fazla zaman gerektiğinden bu beklenen bir durumdur. Daha ince numunelerde uçucu bileşenler daha erken açığa çıkar.
Yanma sırasında açığa çıkan toplam ısı (THR), HRR'nin zaman içindeki integraline karşılık gelir. Şekil 3 THR eğrilerini göstermektedir. Beklendiği gibi, THR değerleri numune kalınlığı ile artmaktadır.
Şekil 4 numune kalınlığı ile a) maksimum HRR zamanı ve b) toplam ısı salınımı arasındaki doğrusal ilişkiyi göstermektedir. Korelasyon, tam yanma ile THR'nin esasen kullanılan malzeme miktarı tarafından belirlendiğini doğrulamaktadır. Numune kalınlığı, tam sönmeye kadar yanma süresi (TOF) ve THR arasındaki doğrusal ilişki, tüm numunelerin neredeyse tamamen dönüştürüldüğünü göstermektedir. Farklı numune kalınlıklarına sahip iki ayrı ölçüm, diğer numune kalınlıkları için karşılık gelen değerlere kolayca dönüştürülebilir.
Duman Üretimi (SPR, TSP)
Araştırmanın bir diğer önemli yönü de duman gelişiminin kaydedilmesidir. Bu, baca gazı akışındaki ışık geçirgenliğinin ölçülmesiyle elde edilir. Bir lazer ışını egzoz borusu boyunca yönlendirilir (bkz. Şekil 5). İletimin azalması duman yoğunluğunda bir artış olduğunu gösterir.
HRR'ye benzer şekilde, numune kalınlığı arttıkça maksimum duman üretim hızına (SPR) ulaşmanın daha uzun zaman aldığı gözlemlenmiştir. Şekil 6'da görülebileceği gibi, SPR eğrileri daha ince numunelerin hızlı bir şekilde large miktarda duman çıkardığını, daha kalın numunelerin ise daha uzun bir süre boyunca duman çıkardığını göstermektedir. Bu durum, daha kalın numunelerin tamamen ayrışmasının daha uzun sürdüğü gecikmeli PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz sürecini yansıtmaktadır.
Şekil 7'de gösterilen toplam duman üretimi (TSP), beklendiği gibi artan numune kalınlığı ile artmaktadır.
Şekil 8 numune kalınlığı ile TSP arasındaki neredeyse doğrusal ilişkiyi göstermektedir. Bu, numune kütlesi tamamen dönüştürüldükten sonra, toplam duman çıkışının esasen mevcut malzeme miktarı tarafından belirlendiğini doğrulamaktadır.
Özet
Numune kalınlığı Koni Kalorimetresindeki yangın parametrelerini önemli ölçüde etkilemektedir. Tutuşma süresi büyük ölçüde sabit kalırken, yanma süresi, THR ve TSP artan numune kalınlığı ile neredeyse doğrusal olarak artmaktadır.
Bu sonuçlar, güvenilir ve karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için karşılaştırmalı malzeme testlerinde her zaman aynı numune kalınlıklarının kullanılmasının önemini vurgulamaktadır. Gözlemlenen doğrusallık sayesinde, yalnızca iki kalınlığa dayalı ölçüm sonuçları, basit enterpolasyon veya ekstrapolasyon kullanılarak diğer kalınlıklara da aktarılabilir.
Uygulamada aynı uygulamalar için genellikle farklı kalınlıklarda malzemeler kullanıldığından, gerçekçi bir yangından korunma değerlendirmesi elde etmek için tipik bileşen kalınlıkları veya gerçek montaj durumları gibi uygulamaya özgü koşullar altında testler yapmak mantıklıdır. Gerçek yangın davranışını güvenilir bir şekilde değerlendirmenin ve sağlam temellere dayanan malzeme seçimleri yapmanın tek yolu budur.