Mikrokalorimetri - uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite hankittu VTT:lle

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Mikrokalorimetri - uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite hankittu VTT:lle"

Elsa Virtanen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Mikrokalorimetri - uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite hankittu VTT:lle Johan Mangs & Anna Matala VTT Palotutkimuksen päivät

2 2 Mikrokalorimetri (Micro-scale Combustion Calorimeter (MCC)) Yhdysvaltain ilmailuhallinnon FAA:n kehittämä tutkimuslaite lentokoneissa käytettävien materiaalien paloturvallisuuden arvioimiseksi Menetelmästä kehitetty kaupallinen tuote mikrokalorimetri Melko uudessa (1996 ) menetelmässä yhdistetään Termoanalyysi Palaminen kaasufaasissa Hapenkulutuskalorimetria Mikrokalorimetrilla tutkitaan milligrammanäytteiden palamiseen liittyviä materiaaliominaisuuksia Tulokset eivät riipu monessa palotestimenetelmässä esiintyvästä näytteen paisumisesta, pisaroiden muodostumisesta, näytteen valumisesta tai palamista estävien kerrosten muodostumisesta

3 3 Näytteen massa eri palotesteissä Mikrokalorimetri Pienen liekin koe Kartiokalorimetri Täysimittaisen komponentin koe mg g kg Mg Näytteen massa

4 4 Mikrokalorimetrin toiminta Palamisprosessi jaettu kahteen osaan Pyrolyysikaasujen tuottaminen Lämmön tuottaminen (palaminen) Näyte lämmitetään hallitusti tasaisella lämpötilan nousulla Näyte ja lämmitin ovat termisessä tasapainossa Pyrolyysikaasut poltetaan korkeassa lämpötilassa ja korkeassa happipitoisuudessa Paloteho määritetään hapenkulutuskalorimetriperiaatteella kaasujen massavirran ja happipitoisuuden mittauksista Tulokset ajan ja lämpötilan funktiona

5 5 Laboratorikoe mikrokalorimetrilla: hallittu palaminen

6 6 Govmarkin mikrokalorimetrin ominaisuuksia Kokeen kesto ja tulosten saanti min Tietokoneohjattu lämpötilan ja kaasuvirtausten hallinta Inertti (typessä) tai hapettava (ilmassa) pyrolyysi Lämpötila-alue: C Lämmitysnopeus: C/min Näytteen koko: mg Havaintoraja: 5 mw Toistettavuus: ± 3%

7 7 Mikrokalorimetrin mittaustuloksia Paloteho ajan t ja lämpötilan T funktiona Q c = Q c(t) Q c = Q c(t) Vapautunut kokonaislämpö integroimalla paloteho Q c = Q c(t)dt Ominaispaloteho, paloteho normitettuna näytteen alkumassalla m o q c = Q c m 0 Palotehokapasiteetti, maksimiominaispaloteho jaettuna vakiolämmitysnopeudella β η c = q c max β Jäännöstuotto Y, loppumassa / alkumassa Y = m p m 0 Palamislämpö h c = Q c m 0 h c, gas = Q c m 0 m p

8 8 Mikrokalorimetri VTT:n tiloissa Laitteen mitat: 254 mm (L) x 1068 mm (K) x 558 mm (S)

9 9 Mikrokalorimetrikoe Sähkökaapelin eristemateriaalia näytekupissa, mm-asteikko Näytekuppi ennen nostamista pyrolyysikammioon Koe on käynnissä

10 10 Tuloksia: PVC kaapeli MCMK 3 x 2.5 mm 2-1 Pääkomponentit: PVC-hartsi di-isodekyyliftalaatti kalsiumkarbonaatti

11 11 Tuloksia: PVC kaapeli MCMK 3 x 2.5 mm 2-2

12 12 Tuloksia: PVC kaapeli MCMK 3 x 2.5 mm 2-3 Komponentti m 0 (mg) Y (-) h c (MJ/kg) h c, gas (MJ/kg) T max ( o C) η (kj/kg K) Vaippa 7,63 0,26 14,7 19, Täyte 10,49 0,47 7,15 13, Eriste 6,68 0,30 12,3 17,

13 13 Yksittäisen reaktion palamislämpö Mikrokalorimetrin paloteho aika-käyrän yksittäisen huipun pinta-ala on vastaavan reaktion tuottama energia Termovaaka antaa reaktion massahäviön Yhdistelemällä saadaan yksittäisen reaktion palamislämpö Esimerkki: PVC-kaapelin vaippa, vasen y-akseli termovaakatulos (α = 1-m/m o ), oikea y-akseli mikrokalorimetritulos (McGrattan et al. 2012)

14 14 Mikrokalorimetrin ja muiden palokoemenetelmien vastaavuus - 1 Maksimipaloteho kartiokalorimetrissa ja palotehokapasiteetti mikrokalorimetrissa Polymeerien ja kartiokalorimetrin arvoilla L g = 2 MJ/kg Χ = 0,8 ΔT pyr = 50 K säteilytaso 50 kw/m 2 saadaan arvio keskimääräisille polymeereille Q kartio, max ~ 1 η c Koetuloksia eri polymeereille Koetuloksia

15 15 Mikrokalorimetrin ja muiden palokoemenetelmien vastaavuus - 2 Palamislämpö mikrokalorimetrilla (hapettava pyrolyysi) ja pommikalorimetrilla Vertailussa 10 erilaista polymeeriä

16 16 Mikrokalorimetrin tulokset ja palotestitulosten ennustaminen - 1 Yhdysvaltain ilmailuhallinnossa FAA:ssa on tutkittu : Voiko mikrokalorimetrikokeen tuloksilla ennustaa lentokoneiden matkustamomateriaalien tulosta vaadituissa palotesteissä? Palotestin hyväksytty/hylätty-kriteeriä (palamisen laajuus tai maksimiliekinleviämisnopeus) liekinleviämiskriteerinä Kahta palotestiä tarkasteltiin, FAA:n palotehotestiä FAR 25 HRR ja yleisesti käytettyä muovien syttyvyyden testiä UL 94 V-0. Satoja lentokoneissa käytettyjä materiaaleja testattiin näillä menetelmillä ja mikrokalorimetrissa Liekinleviämiskriteerilla pystyttiin kuvaamaan kokeellisia jakaumia joillakin mikrokalorimetrilla määritetyillä suureilla: lämpöarvo ja palotehokapasiteetti

17 17 Mikrokalorimetrin tulokset ja palotestitulosten ennustaminen - 2 Yhtenäinen käyrä liekinleviämiskriteeri Pisteet koetuloksia

18 18 Yhteenveto VTT:lle on hankittu uusi materiaalitutkimuksen mittauslaite mikrokalorimetri Voidaan määrittää jähmeiden aineiden palamisominaisuuksia milligrammaluokan näytteille Mikrokalorimetri täydentää tähän asti käytettyjen mittausmenetelmien valikoimaa (termogravimetri TGA, differentiaalipyyhkäisykalorimetri DSC, kartiokalorimetri) VTT:llä laitetta käytetään mm. materiaalien pyrolyysimallinnuksen tukena

Samankaltaiset tiedostot

Sähkökaapelien palomallinnuksen uusia menetelmiä ja tuloksia

Sähkökaapelien palomallinnuksen uusia menetelmiä ja tuloksia Anna Matala, Simo Hostikka, Johan Mangs VTT Palotutkimuksen päivät 27.-28.8.2013 2 Motivaatio 3 Pyrolyysimallinnuksen perusteet Pyrolyysimallinnus