Posúdenie vplyvu objemovej hmotnosti na bezplameňové horenie celulóznej izolácie
Celulózna izolácia patrí medzi menšinové typy tepelno-izolačných materiálov, ktorých použitie však v posledných rokoch výrazne narastá. Cieľom príspevku je posúdenie vplyvu jej objemovej hmotnosti na procesy tlenia a žeravenia. Ako iniciátor bol použitý odporový drôt. Okrem vizuálneho pozorovania bola zaznamenávaná taktiež koncentrácia oxidov uhlíka a optická hustota dymu. Výsledky boli vyhodnotené formou grafov a tabuliek.
Úvod
Izolačné materiály sú kľúčovým nástrojom pri navrhovaní a konštrukcii energeticky úsporných budov. Potvrdzuje to ich rastúca hrúbka používaná v budovách, ktorá sa odráža aj v náraste predajnosti. (Papadopoulos 2005) Tieto materiály tiež slúžia na odstraňovanie tepelných mostov, znižovanie nežiaducej kondenzácie vody, súvisiaceho menšieho rizika a pravdepodobnosti vzniku a šírenia plesní a podobne. (Mitterova et al. 2014)
V súčasnosti je dostupné veľké množstvo zatepľovacích materiálov, ktoré možno rozdeliť do nasledovných skupín (Al-Homoud 2005):
- Anorganické materiály
- Vláknité materiály ako napríklad sklenná, kamenná a trosková vlna
- Bunkové materiály ako napríklad kremičitan vápenatý, viazaný perlit, vermikulit a keramické výrobky
- Organické materiály
- Vláknité materiály ako napríklad celulóza, bavlna, drevo, buničina, trstina alebo syntetické vlákna
- Bunkové materiály ako napríklad korok, penová guma, polystyrén, polyetylén, polyuretán, polyizokyanurát a ďalšie polyméry.
- Kovové, alebo pokovované reflexné membrány
Európsky trh s izolačnými materiálmi sa vyznačuje dominanciou dvoch skupín výrobkov: anorganických vláknitých materiálov a organických penových materiálov. (Papadopoulos 2005)
V porovnaní s inými druhmi tepelno-izolačných materiálov má celulózna izolácia zväčša priemerné vlastnosti. Pozitívne sú vnímané najmä jej zvukovo izolačné schopnosti a naopak jej negatívom je predovšetkým nízka odolnosť proti tlaku. (Papadopoulos 2005) Aplikuje sa pomocou strojného zariadenia za sucha, alebo formou nástreku. Aplikácia za sucha je možná tzv. voľným fúkaním, alebo objemovým plnením do pripravených dutín stien, striech, alebo stropov. (Ciur a.s. 2016)
Pri termickom namáhaní celulóznej izolácie vo vzduchu dochádza k trom oblastiam jej hmotnostného úbytku (Rantuch and Chrebet, 2014):
- Prvá fáza je charakterizovaná teplotou do 120 °C je spôsobená jej vysúšaním
- Druhá a hlavná fáza nastáva v rozmedzí teplôt 250–380 °C. Dochádza počas nej k rozkladu celulózy ako základnej zložky celulóznej izolácie.
- Tretiu fázu (okolo 450 °C) je možné prisúdiť reakcii uhlíkatého zvyšku so vzdušným kyslíkom, avšak táto nie je jasne ohraničená.
Obr. 1.: Vplyv retardéru horenia (kyseliny boritej) na termooxidáciu celulóznej izolácie (Ohlemiller 1981)
Termogravimetrickú krivku rozkladu celulóznej izolácie je možné v teplotnom rozmedzí od 100 °C do 500 °C rozdeliť na 5 oblastí, z ktorých 3 sú charakteristické výraznejším hmotnostným úbytkom. Celulózna izolácia je krátkodobo stabilná do teploty 220 °C. (Rantuch and Balog 2014) Z dlhodobého hľadiska môžu jej zmeny spôsobiť aj teploty do 160 °C. (Lawson et al. 1977)
Výrazný vplyv na termický rozklad celulóznej izolácie má prídavok retardérov horenia. Ako príklad je možné uviesť retardáciu pomocou kyseliny boritej, ktorej dôsledky sú jasne viditeľné na grafe na obrázku 1. Z výsledkov Ohlemillera (1981) vyplýva, že kyselina boritá má za následok tak vyššiu tepelnú odolnosť celulóznej izolácie, ktorá sa prejavuje posunom TG krivky smerom k vyšším teplotám ako aj zníženie rýchlosti uvoľňovania tepla. Významná je predovšetkým výrazne nižšia rýchlosť uvoľňovania tepla pri oxidácii uhlíkatého zvyšku.
Popis vzoriek
Vzorky boli pripravené z debnenia vyplneného celulóznou izoláciou. Plnenie prebiehalo suchým procesom. Ako vzorky slúžila komerčne dostupná izolácia s názvom Climatizer Plus. Táto izolácia je určená pre stavebné tepelné a akustické izolácie v oblasti vonkajších aj vnútorných konštrukcií – šikmých striech, podkroví, stropov, podláh, deliacich stien, podhľadov a ďalších. (Ciur a.s. 2016) Vlastnosti použitej celulóznej izolácie poskytované výrobcom sú uvedené v tabuľke 1. Jej vlhkosť v dobe testovania predstavovala 8,5 %.
| Vlastnosť | Hodnota |
|---|---|
| Súčiniteľ tepelnej vodivosti (suchý materiál) [W.m−1.K−1] | 0,038 |
| Merná tepelná kapacita [J.kg−1.K−1] | 2020 ± 6 % |
| Objemová hmotnosť [kg.m−3] | 30–90 |
| Reakcia na oheň (suchý materiál) | C – s1, d0 |
| Reakcia na oheň (suchý materiál v dutine) | B – s1, d0 |
| Index šírenia plameňa [mm.min−1] | 0,00 |
| Maximálny teplota použitia [°C] | 80 (105 krátkodobo) |
Na debnenie boli použité dosky z orientovaných triesok (OSB) typu 3 (konštrukčné dosky určené na použitie v prostredí s miernou vlhkosťou na vonkajšie aj vnútorné použitie) s hrúbkou 14 mm. Vlastnosti použitých OSB sú uvedené v tabuľke 2.
Obr. 2.: Testovaná vzorka: 1 – špirála z odporového drôtu; 2 – celulózna izolácia; 3 – smreková doska; 4 – OSB
| Hustota [kg.m−3] | 570 ± 35 | |
| Vlhkosť [%] | 5,3 ± 10 | |
| Emisivita [–] | 0,89 | |
| Zloženie [% hm.] | Ihličnatá drevná hmota | 93,6 |
| Polyuretánová (MDI) živica | 4,7 | |
| Parafín | 1,7 | |
Vnútorný rozmer debnenia mal pôdorys s rozmermi 10 cm × 10 cm a jeho výška bola 28 cm. Tri vzorky boli testované v otvorenej konštrukcii, to znamená, že vrchná časť vzorky nebola zadebnená a okraj vzorky bol v tejto časti tvorený len celulóznou izoláciou. Taktiež tri vzorky boli vyhotovené s uzatvorenou konštrukciou. Spodná a v prípade testovania uzatvorenej konštrukcie aj horná doska boli zhotovené zo smrekového dreva s vlhkosťou 8 %. Ich hrúbka bola 2 cm. V spodných doskách boli vyvŕtané otvory s priemerom 3 mm, ktoré slúžili na vyvedenie koncov špirál z odporového drôtu. Schéma vzorky je zobrazená na obrázku 2. Vnútorný priestor vzorky bol vyplnený celulóznou izoláciou.
Objemová hmotnosť celulóznej izolácie pri vzorkách s otvorenou konštrukciou bola 30 kg.m−3, 40 kg.m−3 a 50 kg.m−3. Vzorky s uzatvorenou konštrukciou boli vyhotovené tak, aby ich objemová hmotnosť bola 50 kg.m−3, 60 kg.m−3 a 70 kg.m−3. Tieto hodnoty sú v súlade s hodnotami, ktoré pre aplikáciu odporúča výrobca. (Ciur a.s. 2016)
Obr. 3.: Schematické znázornenie testovacieho zariadenia: 1 – špirála z odporového drôtu; 2 – vzorka; 3 – odsávací zvon; 4 – sonda na odber plynných produktov rozkladu; 5 – analyzátor oxidu uhoľnatého; 6 – ventilátor
Odporová špirála pozostávala z odporového drôtu majúceho dĺžku 50 cm a hmotnosť 0,8 g. Jeho konce boli prostredníctvom kovových svorkovníc pripojené na zdroj jednosmerného elektrického prúdu. Napätie na svorkách zdroja predstavovalo 6,5 V a špirálou pretekal elektrický prúd 2,8 A. Čas pripojenia špirály počas jedného merania predstavoval 100 minút.
Schéma testovacieho zariadenia sa nachádza na obrázku 3. Testovacia vzorka (2) obsahujúca vo vnútri špirálu z odporového drôtu (1) bola umiestnená pod odsávací zvon (3). Splodiny termického rozkladu boli odsávané cez potrubie ukončené ventilátorom (6). Rýchlosť odsávania bola nastavená na 24 dm3.s−1. V odsávacom potrubí bola inštalovaná sonda na odber vzoriek (4), ktoré boli následne kontinuálne analyzované v analyzátore oxidu uhoľnatého (5). Oxid uhoľnatý bol vybraný na základe skutočnosti, že sa jedná o najrozšírenejší produkt nedokonalého horenia a teda ho istým spôsobom charakterizuje. Zároveň sú aj zariadenia na jeho monitorovanie nastavené na pomerne nízke koncentrácie a jeho meranie je preto pomerne jednoduché. Teplota okolia počas testovania predstavovala 28 °C – 30 °C a vlhkosť vzduchu bola v rozmedzí od 30 % do 32 %.
Výsledky a diskusia
Grafické znázornenie množstva uvoľneného CO počas jednotlivých meraní je na obrázku 4. Počiatok skúšky je vo všetkých prípadoch takmer identický. V čase do 140 s – 200 s v odsávanom vzduchu nebolo zaznamenané prakticky nijaké výrazné množstvo CO. Tento jav je logickým dôsledkom oneskorenia spôsobeného pomerne dlho trvajúcim prienikom uvoľňovaných plynných produktov termickej degradácie do okolitého priestoru vzoriek. Následne je na grafe viditeľný takmer lineárny nárast uvoľneného CO, z čoho je možné usudzovať, že rýchlosť jeho uvoľňovania bola relatívne stabilná.
Pri vzorkách s uzatvoreným debnením je zrejmý výrazne rozdielny priebeh v prípade vzoriek s objemovou hmotnosťou celulózy 50 kg.m−3. Po rovnomerne stúpajúcej fáze nastáva spomalenie produkcie CO a napokon jej prakticky úplné ukončenie. Keďže je oxid uhoľnatý hlavným produktom nedokonalého horenia, ktoré hrá výraznú úlohu pri tlení a žeravení, je možné konštatovať, že bol jeho pokles v spalinách spôsobený termináciou reakcií horenia. Horenie vzoriek s vyššími objemovými hmotnosťami celulóznej izolácie podľa nameraných výsledkov pokračovalo až do ukončenia horenia. Rozdiel medzi nameranými hodnotami CO je nevýrazný a zrejme je spôsobený skôr nízkou homogenitou celulózy ako jej samotnou objemovou hmotnosťou.
V prípade vzoriek s otvorenou konštrukciou je priebeh jednej z nich taktiež odlišný od zvyšných dvoch. Vzorka s objemovou hmotnosťou 30 kg.m−3 uvoľňovala od času približne 4500 s omnoho vyššie množstvo oxidu uhoľnatého. Pri meraní s touto vzorkou bol vizuálne spozorovaný výrazný pokles výšky celulóznej izolácie na úrovni okolo 2,5 cm. Tieto pozorovania vedú k záveru, že pri takejto nízkej objemovej hmotnosti celulózna izolácia nemá dostatočnú stabilitu na to, aby po odhorení jej časti pod povrchom udržala vyššie vrstvy v dostatočnej vzdialenosti zabezpečujúcej ochranu pred šírením bezplamenného horenia. Tento proces má vplyv na ďalšiu rýchlosť odhorievania, ktorá sa tým zvyšuje. Podobný, avšak menej výrazný bol tiež priebeh množstva uvoľneného CO pri vzorke s objemovou hmotnosťou 40 kg.m−3. Aj v tomto prípade bol spozorovaný pokles výšky izolácie, avšak ten bol len mierny, približne na úrovni 0,5 cm. Keďže však počas merania rýchlosť uvoľňovania CO narastala, je možné predpokladať, že pri dlhšom pôsobené žeravého telesa by došlo k podobnému šíreniu horenia ako pri vzorke s najnižšou objemovou hmotnosťou.
Zaujímavé je tiež porovnanie vzoriek s objemovou hmotnosťou 50 kg.m−3 s otvoreným a uzatvoreným debnením. Zdá sa, že uzatvorenie debnenia spôsobilo výraznejšie hromadenie plynných produktov termického rozkladu a zároveň zníženie koncentrácie kyslíka v okolí horenia. Táto kombinácia okolností mohla viesť k spomaleniu a neskoršiemu ukončeniu horenia celulózy.
Obr. 4.: Množstvo uvoľneného CO: A – vzorky s uzatvorenou konštrukciou; B – vzorky s otvorenou konštrukciou
Obr. 5.: Oblasť tlenia vzoriek s uzatvorenou konštrukciou: A – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 50 kg.m−3; B – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 60 kg.m−3; C – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 70 kg.m−3
Po ukončení merania boli vzorky uskladnené po dobu 24 hodín a následne boli z dôvodu pozorovania rozsahu hniezd tlenia rozobraté. Fotografie rezov celulóznou izoláciou sú viditeľné na obrázkoch 5 a 6. Na obrázkoch sú tiež vyznačené veľkosti hniezd.
V prípade vzoriek s uzatvorenou konštrukciou neboli zreteľné výrazné rozdiely. Zuhoľnatené oblasti boli guľovitého tvaru s priemerom približne 7 cm so stredom v mieste umiestnenia odporového drôtu. Zo vzoriek je zrejmé, že v uzatvorenej konštrukcii sa počas 100 minút horenie šírilo len veľmi obmedzene a do všetkých strán prakticky rovnako. Spodná doska bola horením len čiastočne zasiahnutá a OSB debnenie nebolo viditeľne poškodené, avšak v okolí ohnísk bola jeho farba mierne tmavšia.
Obr. 6.: Oblasť tlenia vzoriek s otvorenou konštrukciou: A – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 30 kg.m−3; B – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 40 kg.m−3; C – vzorka s objemovou hmotnosťou celulózy 50 kg.m−3
Pri vzorkách s otvorenou konštrukciou závisel tvar hniezda tlenia od objemovej hmotnosti celulóznej izolácie. Ako je zrejmé z obrázku 6, znižovaním objemovej hmotnosti sa plocha prierezu zuhoľnatenej časti zväčšuje a postupne sa jej tvar mení z kruhového na oválny. K nárastu jej rozmerov dochádza tak v horizontálnom, ako i vertikálnom smere. V prípade vzorky s objemovou hmotnosťou 50 kg.m−3 má zuhoľnatená oblasť menšiu veľkosť ako pri uzatvorených vzorkách, avšak tento rozdiel nie je výrazný a je možné považovať ich za prakticky totožné. Na obrázku 5 je tiež dobre viditeľný pokles výšky celulóznej izolácie v prípade vzoriek s jej nižšou objemovou hmotnosťou. Spodná doska debnenia bola zasiahnutá horením podstatne viac ako v prípade vzoriek s uzatvorenou konštrukciu. S klesajúcou objemovou hmotnosťou celulóznej izolácie narastalo jej poškodenie. Toto poškodenie sa prejavilo najvýraznejšie pri vzorke s objemovou hmotnosťou 30 kg.m−3, kde došlo k úplnému prehoreniu spodnej dosky. OSB v okolí zuhoľnatenej oblasti boli taktiež zasiahnuté výraznejšie ako v uzatvorených vzorkách.
Tak výsledky analýzy množstva uvoľneného CO, ako aj vizuálne pozorovania rozobraných konštrukcií poukazujú na intenzívnejší priebeh heterogénneho horenia vo vzorkách s otvorenou konštrukciou. Túto skutočnosť možno vysvetliť lepšou difúziou produktov termického rozkladu do okolia a kyslíka do oblasti horenia. Zároveň sa zdá, že nižšia objemová hmotnosť celulóznej izolácie spôsobuje jej výraznejšie odhorievanie. Dôvodom tohto javu je pravdepodobne slabšia priestorová stabilita izolácie s nižšou objemovou hmotnosťou. Odhorením časti izolácie potom dochádza k poklesu horením nezasiahnutých vrstiev smerom k tepelnému zdroju a ich následnému termickému rozkladu. Ten má za následok ďalšie uvoľnenie tepelnej energie a šírenie heterogénneho horenia. Zároveň sa uvedeným poklesom zmenšuje vrstva izolácie oddeľujúca hniezdo tlenia od okolia, čo umožňuje lepšiu difúziu plynov.
Záver
Celulózna izolácia je v praxi aplikovaná s rôznou objemovou hmotnosťou. Cieľom príspevku bolo určiť jej vplyv na heterogénne horenie a s ním spojené šírenie požiaru tlením. Z nameraných výsledkov je pre prvých 100 minút zaťaženia celulóznej izolácie elektrickým špirálovým iniciátorom možné vyvodiť nasledovné závery:
- V uzatvorených konštrukciách
- množstvo uvoľneného CO bolo v prípade vzorky s objemovou hmotnosťou 50 kg.m−3 výrazne nižšie ako pri vzorkách s vyššou objemovou hmotnosťou,
- dochádza k vytvoreniu zuhoľnatenej vrstvy majúcej prakticky guľový tvar,
- v rozmedzí objemových hmotností 50 kg.m−3 – 70 kg.m−3 nie je zreteľný rozdiel v rozmeroch prierezu zuhoľnatenej vrstvy.
- V otvorených konštrukciách
- s rastúcou objemovou hmotnosťou klesá množstvo uvoľneného CO,
- vzorky s nižšou objemovou hmotnosťou vykazujú pokles výšky celulóznej izolácie,
- dochádza k vytvoreniu zuhoľnatenej vrstvy majúcej elipsoidný tvar
Vo všeobecnosti možno konštatovať, že voľne sypaná celulózna izolácia predstavuje z hľadiska ochrany pred požiarmi vyššie nebezpečenstvo ako izolácia pneumaticky dopravovaná do uzatvorených priestorov.
Všetky závery je však potrebné považovať za predbežné, nakoľko pre presný popis tlenia a žeravenia je nevyhnutné navýšiť počet meraní, čím by bola do značnej miery potlačená heterogenita testovaných konštrukcií. Zároveň je možné pre budúce experimenty odporučiť nárast času pôsobenia špirálového iniciátora.
Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0057-12.
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-16-0223.
Zdroje
- Al-Homoud, M. S. (2005). Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials. Building and environment, 40(3), 353–366.
- Ciur a.s. (2016), Climatizer plus, Technický list
- Lawson, W. G., Simmons, M. A., and Gale, P. S. (1977). Thermal ageing of cellulose paper insulation. IEEE Transactions on Electrical Insulation, (1), 61–66.
- Mitterova, I., Ruzinska, E., Zachar, M., Sihelska, M. and Krajewski, K. J. (2014). Reaction to fire of an insulating material on the basis of the cork. Annals of Warsaw University of Life Sciences-SGGW. Forestry and Wood Technology, 87.
- Ohlemiller, J. (1981). Smoldering combustion hazards of thermal-insulation materials (No. NBSIR-81-2350). Oak Ridge National Lab., TN (USA); National Engineering Lab.(NBS), Washington, DC (USA).
- Papadopoulos, A. M. (2005). State of the art in thermal insulation materials and aims for future developments. Energy and Buildings, 37(1), 77–86.
- Rantuch, P. and Chrebet, T. (2014). Thermal decomposition of cellulose insulation. Cellulose Chemistry Technology, 48(5-6), 461–467.
- Rantuch, P. and Balog, K. (2014). Thermogravimetric analysis of cellulose insulation and determination of activation energy of its thermo-oxidation using non-isothermal, model-free methods. Polymers for Advanced Technologies, 25(10), 1169–1174.
Cellulose insulation is one of the minority types of heat insulating materials, but their use has increased significantly in recent years. The aim of the contribution is to assess the impact of its bulk weight on the processes of smothering and glowing. The resistance wire was used as the initiator. In addition to visual observation, carbon dioxide concentrations and optical smoke density were also recorded. The results were evaluated in the form of graphs and tables.