航空機の内装から自動車のボディパネルに至るまで、あらゆる用途に設計されたポリマー、繊維、フィラーの動的ブレンドである複合材料を扱ったことがある人なら、おそらく 1 つの重要な疑問を抱いたことがあるでしょう。それは、標準的な延焼試験機でその防火性能を実際に評価できるのかということです。火災試験装置のサプライヤーとして、私は少なくとも週に 1 回この質問に答えますが、それには十分な理由があります。複合材料は、スチールや純粋なプラスチックのような均質な材料とは異なります。それらの層状構造、混合組成、および独特の物理的特性は、それらの火災挙動がはるかに複雑であることを意味します。率直な答えを得るには、延焼試験機が何を行うのか、複合材料が従来の試験サンプルとどのように異なるのか、そしてなぜ試験ツールの設計に対する私たちのチームのアプローチが大きな違いを生むのかを詳しく説明する必要があります。
基本的なことから始めましょう。延焼試験機は、標準化された熱源にさらされたときに炎が材料の表面をどのくらい速く伝わるかを測定するように設計されています。何十年にもわたって、これらの機械は、無垢材、室内装飾用フォーム、単層プラスチックなどのシンプルで均一な素材に合わせて調整されてきました。しかし、複合材料が状況を変えました。炭素繊維強化ポリマー (CFRP) を例に挙げます。カーボンファイバーは伝導性が高いため、炎が当たると、熱はポリマーマトリックスを通るよりもはるかに早くファイバーを通って横方向に広がります。これは、平らで均一な熱源を使用することが多い標準的な火炎伝播試験器では、指向性の熱伝達を考慮していないと見逃される可能性のある動作です。
誤解しないでください – 延焼試験器できるただし、複合材料が材料の固有の構造に適応するように設計されている場合に限ります。画一的な機械では誤解を招く結果が得られるため、多くの複合部品メーカーが不完全なテストデータに不満を感じて当社に問い合わせをしてきたのです。一般的な延焼試験機でテストを実行すると、実際の火災性能と一致しない数値が得られ、最終的には生産ライン全体を不必要に作り直すことになります。
標準的なテスターがコンポジットに不十分である理由を具体的に説明しましょう。機関車の内装パネルに使用される複合材料を想像してみてください。機関車の火災安全規制では、正確な火炎伝播測定が必要であり、ここでの複合材料は、多くの場合、難燃性のコアと装飾的な外層で積層されています。外面に熱を加えるだけの標準的な火炎伝播試験機でこれをテストすると、加熱時にコア層が有毒ガスを放出することや、炎が層間剥離によって層間を移動することを認識できない可能性があります。そのため、私たちのチームは、このような層状の輸送材料を正確にテストするために明示的に校正された機関車材料燃焼試験器を含む、一連の特殊なツールを開発しました。この機械は、制御された熱を多方向から加え、表面の火炎伝播と内部層の劣化の両方を捕捉します。これは、標準的な火炎伝播試験機では不可能です。
もう 1 つの一般的な複合用途は、航空宇宙アセンブリで使用される粘着テープです。これらのテープは薄く、多くの場合、感圧接着剤と補強布で多層になっているため、火災の挙動が固体テープとは大きく異なります。標準的な垂直燃焼試験では、外側のテープがどのように燃えるかを測定するだけで、接着層が表面に沿って炎を滴らせたり広げたりする様子は測定されません。ここで、粘着テープ垂直燃焼性試験機が登場します。この試験機は、薄く柔軟なサンプルを制御された張力下で保持するように設計されており、これらのテープが実際に航空機や列車に設置される方法を模倣しているため、実際の使用例に対して正確な火炎伝播データが得られます。
しかし、単に形状に適応するだけではありません。複合材料は発火する前に熱分解を受けることが多く、その分解により可燃性ガスが放出され、火炎の広がりを引き起こす可能性があります。標準的な火炎伝播試験器は、表面の火炎の長さを測定できますが、これらのガスの放出速度は測定できません。そのため、当社では火炎伝播ツールを管状炉分解システムなどのシステムと組み合わせています。これらは当社の試験セットアップに統合されており、酸素制御環境で複合サンプルを加熱し、放出されるガスの正確な組成と量を測定し、そのデータを火炎の広がり速度と関連付けることができます。複合材料の場合、熱分解と火炎伝播の間のこの関係は交渉の余地がなく、基本的な火炎伝播試験器ではそれを捉えることができません。
私はこれが民間航空機用の複合材シートバックを製造するクライアントで実際に行われているのを直接見てきました。彼らは標準的な火炎伝播試験機を使用しており、その結果、火炎伝播指数 (FSI) は 25 であり、まさに規制の範囲内でした。しかし、航空機シート部品の独特な形状に合わせて設計された当社の航空機シート可燃性試験装置でサンプルをテストしたところ、実際の FSI は 42 であり、認証に合格しないことがわかりました。矛盾は？標準的なテスターは平らな 1x1 フィートのサンプルをテストしましたが、実際のシートバックには湾曲したエッジ、層状のフォーム、および複合パネルがあり、炎がコーナーの周りにはるかに早く広がることができます。私たちの装置はその正確な形状を再現するため、データは実際の航空機の火災で起こるものと一致しました。
したがって、元の質問に戻ります。はい、延焼試験機は複合材料を試験できますが、それは汎用ユニットではない場合に限られます。複合材料は本質的に可変であるため、どのテストツールもその層構造、指向性熱伝達、熱分解、および実際の設置形状を考慮する必要があります。そのため、サプライヤーは既製の燃焼試験器を入手することができません。機関車のパネル、航空機の座席、粘着テープなど、特定の複合用途に合わせて調整された機器が必要です。
次に、複合材料に適したツールを選択する方法について説明します。まず、この複合材料は何に使用されるのかを自問してください。輸送用 (航空、鉄道、道路) の場合、テストは部品の実際の形状でのテストを必要とする厳しい規制に準拠する必要があります。つまり、実際の点火を再現しない放射熱源ではなく、輸送業界の標準に合わせて調整された裸火源を使用する電気バーナー テスト マシンのようなものが必要になる可能性があります。次に、熱の強さ、酸素レベル、サンプルの方向などのパラメータを調整できるテスターを探します。これらはすべて、さまざまな角度で異なる動作をする複合材料をテストする場合に重要です。第三に、機器が表面の炎の広がりだけでなく、層間剥離、ガス放出、煙の密度などの二次的な影響も捕捉できることを確認します。これらすべては、電車の客室や航空機の胴体などの閉鎖空間での火災の広がりに影響を与えます。
私は、複合材料用の標準的な火炎伝播試験機を使用することでコストを節約できるが、サードパーティのラボで部品のすべてのバッチを再テストするだけで済むと考えているクライアントと仕事をしてきました。その結果、時間と費用がかかり、製品の市場投入に遅れが生じます。複合材料用に設計された特殊な延焼試験機への投資は、一度限りの費用で済み、そのような悩みから解放されます。
製品を検証しようとしている複合材メーカー、または複雑な材料用に機器をアップグレードしようとしているテスターの場合、適切なパートナーがあれば大きな違いが生まれます。当社は、機関車の部品から航空機の内装に至るまで、複合材特有の課題に対処するツールの改良に何年も費やしてきました。また、規制要件を満たす正確で信頼性の高いデータを取得できるよう支援します。プロトタイプの複合サンプルの小さなバッチをテストする必要がある場合でも、完全生産に向けてスケールアップする必要がある場合でも、当社のチームはお客様の特定のニーズに適した機器をご案内します。
複合材料に適した燃焼試験ソリューションを見つける準備はできていますか?私たちはあらゆる段階でお手伝いいたします。
参考文献
- ASTM E84、建築材料の表面燃焼特性に関する標準試験方法。
- ISO 5658-2、火災試験に対する反応 - 炎の広がり - パート 2: 垂直および小さな傾斜したサンプルでの横方向の広がり。
- NFPA 130、固定軌道交通および旅客鉄道システムの規格。
- FAR 25.853、防火: 材料、部品、コンポーネント。
- 欧州規格 EN 45545、鉄道用途 - 鉄道車両の防火。