In
der Vergangenheit sind zahlreiche Prüfverfahren zur Beurteilung
des Brandverhaltens von Materialien und insbesondere Kunststoffen
entwickelt worden. Bezüglich
ihrer Dimensionierung können
diese in Labor- und Modellvesuche unterteilt werden. Laborversuche
sind in der Regel einfach durchzuführen, erfassen jedoch kaum
die gesamte Komplexität
der Einflussfaktoren, die im Brandfall zur Wirkung gelangen. Hierzu
gehören
beispielsweise die räumliche
Anordnung eines Materials, sein Zusammenwirken mit anderen Stoffen, die
Entzündungsintensität, Ventilationsbedingungen,
Oberflächenbeschaffenheit,
oder die Wärmestrahlung von
benachbarten Brandherden. Bisher wurden diese Aspekte in Modellversuchen
versucht zu berücksichtigen,
welche im Idealfall die Realität
1:1 kopieren (Room Corner Test nach ISO 9705 für Baustoffe, DIN 66084 für Heimtextilien/Polstermöbel). Allerdings
ist es bei derartig komplexen Versuchsanordnungen nicht möglich, den
beobachteten Brandverlauf eindeutig auf bestimmte Faktoren zurückzuführen. Deshalb
kann beispielsweise der direkte Einfluss von Art und Menge eines
Flammschutzmittels auf ein konkretes Feuer durch diese Methodik
nicht näher
bestimmt werden.
Systematische
und reproduzierbare Zusammenhänge
zwischen einzelnen stofflichen Einflussfaktoren und einem konkreten
Brandverlauf wurden aus diesem Grund bisher nur mit solchen Prüfverfahren
untersucht, die bezüglich
ihrer Handhabbarkeit eher den Labormethoden zuzurechnen sind.
Hiervon
haben sich international mehrere durchgesetzt. Eine Korrelation
zwischen ihnen ist allerdings kaum möglich. Das liegt vor allem
daran, dass von den vielen Begriffen, mit denen das „Brandverhalten" beschrieben wird,
immer nur wenige von den Testvarianten erfasst werden. So kann ein
Material, welches schwerer entzündbar
ist, durchaus länger
und intensiver brennen, als ein leicht zu entzündender Werkstoff. Zwar haben
alle Methoden das Ziel, die Brandgefahr eines Kunststoffes zu quantifizieren,
die theoretischen Ansatzpunkte und die Rahmenbedingungen der Methoden
differieren jedoch so stark, dass mitunter gegensätzliche Ergebnisse
bei der Bewertung eines Werkstoffes vorliegen. Einzelne Prüfverfahren
weisen darüber
hinaus Bedingungen auf, die ausgesprochen realitätsfremd sind. Diese sollten
auf keinen Fall zur Einstufung der Brandgefahr herangezogen werden.
Der Limiting-Oxygen-Index-Test (ISO 4589, ASTM D 2863) bestimmt
den Sauerstoffgehalt der Versuchsumgebung, bei denen ein Probestab
gerade noch brennt. Da hierbei Ausgangskonzentrationen des Sauerstoffs
von bis zu 40% angesetzt werden, wird die Wirklichkeit eines Brandes
nicht widergespiegelt. Weiterhin lässt dieser Test die Flamme
von oben nach unten fortschreiten. Bei umgekehrter Versuchsdurchführung, also
dem Entzünden
des Probekörpers
an seiner untersten Stelle, kommt es zu grundsätzlich anderen Messergebnissen.
Das betrifft auch die relative Einordnung verschiedener Materialien
zueinander.
Eine
weitere Prüfmethode
ist der Glühdrahttest
(DIN IEC 695-2-1).
Dabei
wird ein Heizdraht mit einer maximalen Temperatur von 960 °C für 30 Sekunden
an den flächenartigen
Prüfling
gepresst. Der GWFI (glow-wire flammability Index) gibt die höchste Temperatur
an, bei der die Flamme der festen Probe innerhalb von 30 Sekunden
nach Zurückziehen
des Drahtes erlischt und das unter dem Prüfling angeordnete Seidenpapier
nicht zündet.
Der Test ist in erster Linie dafür
bestimmt, die Eignung von Werkstoffen für ihren Einsatz in elektrischen
Geräten
und Anlagen zu untersuchen. Es wird im Prinzip nur geprüft, inwieweit
ein Material zur Brandentstehung (beispielsweise in defekten elektrischen
Geräten), nicht jedoch
zur Brandunterhaltung oder -ausbreitung beiträgt. Die eigentliche Brennbarkeit
wird nur peripher beschrieben. Dem entspricht, dass die entzündende Wirkung
einer offenen Flamme, die bei einem realen Brand meistens vorliegt,
durch diese Methode nicht erfasst wird.
Bei
dem aus den Vereinigten Staaten kommenden UL 94 V – Test (Underwriter
Laboratories, IEC 707) werden genormte Prüfstäbe zweimal für 10 sec
an ihrer Unterseite beflammt. Bewertet wird die Nachbrennzeit nach
Entfernen des Brenners sowie das brennende Abtropfen. Obwohl diese
Methode am ehesten Entflammbarkeit und Brandvermögen in die Ergebnisfindung
mit einbezieht, birgt sie ein erhebliches Potential für fehlerhafte
Einschätzungen.
So schmilzt bei nicht wenigen thermoplastischen Materialien bereits
in der Anfangsphase des selbständigen
Brennens der Bereich über
der Flamme. Dabei kommt es häufig
zum Abtropfen des brennenden unteren Probestückes, woraufhin der Prüfling erlischt.
Das Ergebnis sind sehr gute (der Tropfen entzündet die unter dem Versuchsaufbau
befindliche Watte nicht) oder mittelmäßige (Watte wird entzündet) Einstufungen.
Wird beispielsweise das gleiche Grundmaterial in einer glasfaserverstärkten Variante
eingesetzt, kann das Abtropfen verzögert bzw. verhindert werden.
Dieser brandschutztechnisch positiv bewertete Effekt kann nun dazu
führen,
dass der Probekörper
länger
brennt oder sogar abbrennt. Das verstärkte Material erhält daraufhin
nach der UL 94 eine schlechtere oder gar keine Einstufung. Auf Grund
des fehlenden anorganischen Anteils ist der bei einem Brand freisetzbare
Energiegehalt des unverstärkten
Kunststoffs jedoch größer, da nicht
anzunehmen ist, dass geschmolzene oder abtropfende Materialteile
den Flammen entzogen werden. Vielmehr sollte es zu einer beschleunigten
Brandausbreitung kommen. Das reale Gefahrenpotential wird durch diese
Prüfmethode
also nur eingeschränkt
widergegeben.
Viele
Flammschutzmittel wirken über
das Entstehen einer Kruste an der Oberfläche des brennenden Kunststoffs.
Diese Kruste besteht aus festen Verbrennungsprodukten und behindert
zunehmend das Entweichen von Pyrolysegasen, den Sauerstoffzutritt
und die Thermodiffusion. Das kann schließlich zum Erlöschen des
Feuers führen.
Bei der dem UL 94 – Test
zugrundeliegenden Versuchsanordnung werden thermoplastische Prüfkörper infolge
des Schmelzens der flammennahen Bereiche durch ihr Eigengewicht
fortwährend
verlängert.
Das führt
im Falle der Flammfestausrüstung
des Materials mit den genannten Flammschutzmitteln zu einem kontinuierlichen
Zerreißen
der Schutzschicht. Dadurch werden die flammenhemmenden Effekte abgeschwächt oder
bleiben ganz aus. Die Prüfung
nach der UL 94 führt
also zu dem tendenziellen Ergebnis, dass eine Ausrüstung mit
anderen Flammschutzmitteln besser ist. Dadurch kommt es regelmäßig zu Bewertungen, die
den Resultaten anderer Prüfmethoden
widersprechen.
Bezüglich einer
umfassenden Aussagefähigkeit über das
Brandverhalten von Materialien sind Prüfmethoden auf der Grundlage
des CONE-Calorimeters (ISO 5660) als geeigneter einzuschätzen. Mit
dieser Methode, die zur Bewertung der Flammfestigkeit von Beschichtungen
in der Bauindustrie entwickelt wurde, können mehrere Daten bestimmt
werden. Nach der üblichen
Verfahrensweise wird die flächige
Probe von oben einem definierten Wärmestrom ausgesetzt und die
Zeit bis zur Entzündung
der Pyrolysegase per Funken ermittelt. Anschließend werden die Wärmefreisetzungsrate
der Verbrennung, das Wärmemaximum
und die absolut freigesetzte Wärme
kalorimetrisch gemessen. Die Prüfung
versucht also die Entflammbarkeit und das energetische Brandpotential
eines Materials zu beschreiben. Dadurch, dass die Materialien einer
konstanten Wärmestrahlung
ausgesetzt sind, können
sie ihre theoretische Verbrennungswärme auch tatsächlich abgeben.
Eine ähnlich thermodynamische
Sichtweise liegt dem
US 4,637,735 (1985,
Benchscale material flammability) zugrunde, wo neben einer analytischen
Charakterisierung von Verbrennungsprodukten der Wärmeinhalt
der Pyrolysegase gemessen wird.
Wie
beim CONE-Calorimeter, treten auch bei diesem Verfahren kinetische
Kriterien in den Hintergrund. Bei einer realen Verbrennung ist immer
die Möglichkeit
gegeben, dass die Energiebarriere zur Weiterführung der Verbrennung infolge
zu geringer Wärmefreisetzung
des Oxidationsprozesses nicht mehr überschritten wird (Ausbleiben
des „thermal
feedback"). Das
würde zwangsläufig zum
Erlöschen
der Flamme führen.
Brandschutztechnisch wichtige Einstufungen hinsichtlich der Ausbreitung
oder Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Feuers finden bei diesen
Tests ebenfalls keine Berücksichtigung.
Derartige
Kriterien stehen beispielsweise bei dem Flammability Test Apparatus
(
US 3,605,483 ) im Vordergrund.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung zur Untersuchung von Proben werden
Geschwindigkeit und Dauer eines flächig fortschreitenden Brandes
bestimmt, indem die Probe einer offenen Flamme direkt ausgesetzte
wird. Die Zeit von Beginn des Kontaktes der Probe mit der Flamme
bis zum Brennende der Probe wird gemessen. Anhand der Skalierung
der Messapparatur, in der die Probe posititioniert ist, kann die
Brantfortschreitung über die
Zeit ermittelt werden. Als Proben werden dünnflächiger Substrate eingesetzt,
wie Fotofilme oder Gewebe, wobei diese flächigen Substrate auch Fasern,
Filamente oder Partikel enthalten können. Es ist auch möglich, einzelne
Komponenten eines Materials zu testen, wobei ein Träger oder
eine Matrix zur Anwendung kommen, um die Probe in die Vorrichtung
positionieren zukönnen.
Zusammenfassend
muss festgestellt werden, dass die vorhandenen Labormethoden zur
Quantifizierung der Brandgefahr eines Kunststoffes oder kunststoffhaltigen
Materials nur begrenzt den tatsächlichen
Verlauf eines Feuers beschreiben. Teilweise liegt das an zu wenig
realitätsnahen
Grundvoraussetzungen der Tests oder an zu starken Vereinfachungen
bzw. Fixierungen auf wenige Phänomene.
Weiterhin berücksichtigen
die Prüfungen
häufig
zu einseitig nur kinetische oder nur thermodynamische Kriterien
einer Brandverlaufssituation. Teilweise erfordern die Labormethoden
auch einen erheblichen apparativen und finanziellen Aufwand (CONE-Calorimeter).
Stark
an die Wirklichkeit angelehnte Versuchssysteme (Modellversuche)
spiegeln die Realität
möglicherweise
gut wider, sind jedoch aufgrund ihres extensiven Versuchsaufbaus
gerade in der Phase der Materialentwicklung wenig sinnvoll (keine „Routinemethoden"). Dazu trägt auch
bei, dass sie infolge der hohen Komplexität nicht geeignet sind, die
Rolle eines einzelnen Faktors auf den Brandverlauf zu charakterisieren.
Fast
alle Methoden prüfen
ausschließlich
Kunststoffe oder Naturstoffe als Endprodukte oder Produkte in einem
fortgeschrittenen Stadium der Verarbeitung (fertiger Kunststoffcompound,
Gewebe, Film). Das Brandverhalten einer einzelnen stofflichen Komponente
dieser Materialien kann mit den meisten Methoden nicht isoliert
untersucht werden. Aus diesem Grund ist die Bewertung eines Flammschutzmittels
oder Flammschutzmittelsystems hinsichtlich seiner Wirkung nach den
meisten Methoden bisher nur im compoundierten Zustand möglich.
Nach
der Methode gemäß der
US 6,605,483 ist eine Bewertung
einzelner stofflicher Komponenten von Materialien auch nur möglich, wenn
sie sich auf einen Träger
oder in eine Matrix posititonieren lassen.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
des Brandverhaltens von Materialien anzugeben, mit dem Materialien
in Form von Compounds und Einzelkomponenten von Compounds jeweils
in fester und/oder flüssiger
Form auf einfache Weise untersucht und ihr Brandverhalten bestimmt
werden können.
Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bestimmung des Brandverhaltens von Materialien wird ein nicht
brennbarer Probenbehälter
mit einer festen und/oder flüssigen
Probe gefüllt,
anschließend
wird die Probe einer zum Entflammen führenden Energiezufuhr ausgesetzt,
wobei die Zeit vom Beginn der Energiezufuhr bis zum ersten sichtbaren
selbstständigen
Brennen der Probe als Entzündungszeit
t1 gemessen wird, dann wird die Probe weiter
einer hinsichtlich Intensität
und Zeit definierten Energiezufuhr ausgesetzt und dann wird die Zeit
vom Abschalten der Energiezufuhr bis zum vollständigen Erlöschen des selbstständigen Nachbrennens der
Probe als Nachbrennzeit t2 gemessen, wobei
dieser Versuch zur Ermittlung statistisch gesicherter Werte gleichzeitig
oder nacheinander mehrmals wiederholt wird und das Brandverhaltens
des Probenmaterials dahingehend bestimmt wird, dass eine um so höhere Flammwidrigkeit
eines Probenmaterials vorliegt, je länger die Entzündungszeiten
t1 und um so kürzer die Nachbrennzeiten t2 sind.
Vorteilhafterweise
werden als nichtbrennbare Probenbehälter Tiegel, Schalen, Teller,
Schiffchen eingesetzt.
Ebenfalls
vorteilhafterweise wird ein Probenbehälter aus keramischen und/oder
metallischen Materialien eingesetzt.
Es
ist von Vorteil, wenn als Probe Kunststoffe, Naturstoffe, Verbundstoffe
aus Kunst- und Naturstoffen, Stoffgemische,
Flammschutzmittel, Flammschutzmittelsysteme, alle als reine Einzelkomponenten
oder als Gemische von mehreren Komponenten untersucht werden.
Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn die Probe als Pulver, Formkörper, Schmelzen
oder Flüssigkeit
eingesetzt wird.
Weiterhin
von Vorteil ist es, wenn die Probe durch Energiezufuhr und Realisierung
eines Funkens im Probenbereich entzündet wird.
Es
ist auch von Vorteil, wenn die Energiezufuhr durch Temperaturerhöhung durchgeführt wird.
Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn die Energiezufuhr und die Realisierung eines
Funkens gleichzeitig durch Verwendung einer Brennerflamme realisiert
wird.
Auch
von Vorteil ist es, wenn die Spitze des inneren Kegels der Brennerflamme
an der Unterseite des Probenbehälters
positioniert wird und die äußeren Flammenbereiche
seitlich am Probenbehältern
vorbei geführt
werden.
Vorteilhafterweise
wird die Zeitmessung per Hand mittels einer Stoppuhr realisiert.
Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn der Beginn und das Ende der Zeitmessungen über Sensoren
bestimmt wird.
Und
auch von Vorteil ist es, wenn die Zeitmessung auf elektrischem Wege
durchgeführt
wird.
Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn nach dem ersten sichtbaren selbstständigen Brennen
der Probe die Probe weiter einer hinsichtlich Intensität und Zeit
definierten Energiezufuhr ausgesetzt wird, wobei bei paralleler
Durchführung
oder Wiederholung der Versuche nacheinander zur Ermittlung statistisch
gesicherterer Werte, jeweils bei allen Wiederholungsversuchen die
Energiezufuhr bei gleichen Intensitäten und Zeiten realisiert wird.
Auch
vorteilhaft ist es, wenn die definierte Energiezufuhr nach Ermittlung
der Entzündungszeit
zwischen 1 Sekunde und 3600 Sekunden realisiert wird.
Und
auch vorteilhaft ist es, wenn die definierte Energiezufuhr nach
Ermittlung der Entzündungszeit zwischen
1 W und 1 MW realisiert wird.
Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn die Versuchsdurchführung gleichzeitig an mehreren
gleichen Proben in ihren jeweiligen Probenbehältern unter den gleichen Bedingungen
realisiert wird.
Von
Vorteil ist es auch, wenn die Versuchsdurchführung gleichzeitig an 5 bis
15 gleichen Proben in ihren jeweiligen Probenbehältern unter den gleichen Bedingungen
realisiert wird.
Auch
vorteilhaft ist es, wenn die Versuchsdurchführung unter einer definierten
Atmosphäre
realisiert wird.
Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn die Versuche unter wind- und zuggeschützten Bedingungen
realisiert werden.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich
das Brandverhalten von Materialien hinsichtlich Qualität und insbesondere
Quantität
zu bestimmen. Das Verfahren ist einfach und mit relativ geringem
technischen Aufwand durchführbar
und liefert für
alle untersuchten Materialien vergleichbare Ergebnisse.
Besonders
günstig
ist es, dass mit diesem Verfahren Materialien sowohl als Gesamtcompound,
als auch jeweils nach ihren einzelnen Komponenten, die auch wieder
einzeln oder in Verbindung untersucht werden können, nach ihrem Brandverhalten
bestimmbar sind. Dadurch wird es möglich, die Wirkung einzelner oder
mehrerer Komponenten eines Materials für das Brandverhalten des Gesamtmaterials
zu bestimmen und Aussagen über
die flammenhemmende oder flammenfördernde Wirkung der einzelnen
Komponenten getrennt und/oder in ihrem Zusammenspiel machen zu können. Dies
ist besonders für
Flammenschutzmittel und Flammenschutzmittelsysteme von Bedeutung.
Derartige Flammenschutzmittel können
zur Stoffgruppe der organischen phosphorhaltigen (wie Triphenylphosphat,
Resorcinol-bis-(diphenylphosphat) oder zur Stoffgruppe der halogenhaltigen
organischen Flammschutzmittel gehören, aber auch Mischungen dieser
Flammschutzmittel (Flammschutzmittelsysteme) mit beispielsweise
anorganischen Synergisten (wie Sb2O3) oder mit stickstoffhaltigen Flammschutzmitteln
(wie Melamin) sein.
Es
ist auch vorteilhaft, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine vorgefertigten
Probekörper erforderlich
sind.
Als
Kunststoffe werden beispielsweise Duromere oder Thermoplaste untersucht,
die zu Pulver gemahlen oder aufgeschmolzen untersucht werden können und
von ihnen dann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
das Brandverhalten bestimmt werden kann.
Selbstverständlich ist
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
dass die Wiederholungsversuche zur Ermittlung statistisch gesicherter
Werte jeweils an den gleichen Materialien in der gleichen Form und
unter den gleichen Versuchsbedingungen realisiert werden.
Hinzuweisen
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
dass nur ungesicherte Aussagen bei Probenmaterialien getroffen werden
können,
die sehr schnell und vollständig
abbrennen (z.B. Cellulosenitrat.).
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass schmelzende Materialbestandteile während der Versuchsdurchführung im
Probenbehälter
verbleiben und damit nicht dem Untersuchungsfeld entzogen werden.
Dadurch ist eine ganzheitliche Bewertung des Probenmaterials möglich. Auch werden
sich bildende Oberflächenschutzschichten,
die insbesondere durch Flammenschutzmittel gebildet werden, die
Bestandteil eines zu untersuchenden Materials sein können, nicht
durch wegfließende
oder abtropfende Materialbestandteile zerrissen.
Aufgrund
der Untersuchbarkeit auch einzelner Komponenten wird es durch das
erfindungsgemäße Verfahren
möglich,
Neuentwicklungen von Flammenschutzmitteln und Flammenschutzmittelsystemen
schneller, gezielter und systematischer durchzuführen. Dies bezieht sich sowohl
auf die stofflichen Komponenten als auch auf das Prüfen und
Quantifizieren synergistischer Effekte von Zusätzen.
Es
ist durch das erfindungsgemäße Verfahren
auch möglich,
das Brandverhalten von Materialien während ihrer Entwicklung und
bei unterschiedlichen Phasen ihrer Herstellung und Verarbeitung
zu testen.
Ein
weitere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei vergleichenden
Untersuchungen die Auswertung der Ergebnisse durch eine graphische
Darstellung, vorteilhafterweise in einem Balkendiagramm, durchgeführt wird.
Dabei kann jedes Material durch einen Balken repräsentiert
werden, wobei die Lage des Balkens auf der x-Achse der Entzündungszeit
t1 und die Höhe des Balkens der Nachbrennzeit
t2 entsprechen. Prinzipell kann unter Zugrundelegung
dieser Darstellungsform angegeben werden, dass ein Material oder
eine Substanz um so flammwidriger oder flammenhemmender ist, je
weiter rechts und je kürzer
der zugehörige
Balken abgebildet ist.
