建材用の試験装置のサプライヤーとして、私は何年も研究室、メーカー、防火専門家と協力して、安全で準拠した製品を作成するために正確な燃焼試験がいかに重要であるかを理解してきました。材料の燃焼熱試験器ほど、この作業の中心となるツールはほとんどありません。材料の燃焼熱試験器は、材料が燃焼するときに放出される総熱量を測定するように設計された装置で、特に建築材料や断熱材の火災リスクを評価するための重要な指標です。しかし、初期セットアップから継続的なキャリブレーションとテストの実行まで何百もの顧客をサポートした後、このツールが万能のソリューションではないことがわかりました。他の分析機器と同様に、これには明確に文書化された制限があり、考慮されないと結果が歪む可能性があるため、これらのギャップを理解することは、その長所を信頼するのと同じくらい重要です。
燃焼熱試験器が得意とすることから始めましょう。その文脈によって限界が理解しやすくなるからです。ほとんどのモデルは爆弾熱量測定の原理に基づいて動作します。つまり、秤量した小さなサンプルを密閉された酸素を豊富に含む鋼製チャンバー (爆弾) に入れて点火し、周囲のウォーター ジャケットの温度上昇を測定して総熱放出を計算します。これは、固体および液体材料の総燃焼熱 (GHC) を測定するための標準的な方法で、ASTM D240 や ISO 1716 などの規格で世界的に使用されています。コアの比較測定に信頼性があり、そのため、材料の可燃性に関するベースライン データを必要とする人にとって頼りになるデバイスです。
ただし、最初の大きな制限はサンプル サイズの制約です。爆弾熱量計から正確な読み取り値を取得するには、少量のサンプルに限定されます。通常、固体材料の場合は 0.5 ～ 1 グラム、反応性の高い物質の場合はさらに少なくなります。それは些細なことのように思えるかもしれませんが、現実世界の火災の動きにはミリグラムスケールのサンプルは関係しません。壁パネル、断熱材、またはコンポーネントが構造物内で燃えるとき、それは小さなテストクーポンではなく、大きくて複雑な材料片です。 1 グラムのサンプルでは、材料の層構成、密度の変化、難燃剤などの添加剤が部品全体にどのように不均一に分布するかなどの要因は考慮されません。たとえば、ロックウール断熱バットの一隅に難燃剤のパッチが集中している可能性がありますが、別のセクションから採取した小さなテストサンプルにはそれが反映されず、不正確な燃焼熱の測定値につながります。このため、お客様は、小規模なテストと実際のパフォーマンスとの間のギャップを埋めるために、燃焼熱テストと断熱ロックウール用熱負荷試験機 (より大きな断熱材サンプルに対する実際の熱応力をシミュレートするデバイス) などのツールを組み合わせることが多いのです。熱負荷試験機は、フルサイズの断熱製品が持続的な熱にさらされたときにどのように劣化するかを示しますが、これは小型の爆弾熱量計では再現できません。
次に、物質の状態と相の制限の問題があります。ほとんどの燃焼熱試験器は固体および液体材料用に校正されていますが、プロパン、ブタン、エアロゾルなどの気体については、異なる密閉チャンバー設計と酸素供給システムが必要なため、あまり機能しません（またはまったく機能しません）。一般的な固体材料であっても、燃焼中にテスターが捕捉できない複雑な相変化を示すものもあります。たとえば、熱可塑性ポリマーは燃焼すると溶け、滴り、蒸発しますが、これらの小さくて軽い滴りは、完全な熱が測定される前に爆弾室から逃げる可能性があります。テスターは元のサンプルの主燃焼による熱のみを捕捉し、火災の延焼に寄与する滴下部分は捕捉しないため、これは材料からの総熱放出を過小評価します。関連するもう 1 つの問題は、建築物や自動車の内装で一般的な多孔質または軽量の材料をテストできることです。ふわふわした低密度の発泡サンプルは、爆弾室への輸送中または点火中に、かなりの量の質量を失う可能性があります。これは、ヒューズからの熱によって小さな粒子が燃焼する前に吹き飛ばされるためです。テストでは単位質量あたりの熱を計算するために正確なサンプル重量に依存しているため、これにより質量計算が不正確になり、燃焼熱の値が不正確になります。
キャリブレーションと操作上の制限も、多くの新規ユーザーが予期しない一連の課題です。燃焼熱試験器の精度はその校正によって決まり、調整を維持するには細心の注意を払った定期的なメンテナンスが必要です。ウォータージャケットの温度測定における小さな誤差や、燃焼中の酸素圧力を低下させるボンベ室内の漏れによっても、結果が 5% 以上狂う可能性があります。さらに悪いことに、これらのエラーは、安息香酸などの標準標準物質をテストと並行して実行しない限り、検出できないことが多く、多くの研究室では時間やコストの制約からこれを省略しています。校正に関連するもう 1 つの奇妙な点は、テスターが「燃焼の完全性」をどのように考慮するかです。この装置はサンプルの 100% が完全に燃焼することを前提としていますが、実際には、一部の物質には燃え残った炭や粒子状物質が残ります。たとえば、木材サンプルには完全には燃えずに濃密な炭化物が残る可能性があるため、試験官はサンプルが完全に燃焼した場合に実際に生成する可能性のある熱量よりも少ない熱量を計算します。これは、重要な耐火メカニズムである炭化物を自然に形成する材料にとって特に問題ですが、標準的な爆破試験では総潜在熱と実際の可燃熱を区別しません。バルブやドア アセンブリなどのコンポーネントの炭化形成や長期耐火性のテストを検討しているお客様は、燃焼熱テストを、ドアおよびシャッター火災試験炉やバルブ用耐火試験機などのツールと組み合わせることがよくあります。これらのツールは、フルサイズの部品を実際の火災条件にさらし、放熱だけでなく、コンポーネントが時間の経過とともにどのように機能するかを測定します。
反応ダイナミクスや現実世界の火災状況にも制限があります。標準的な燃焼熱試験は、静的な閉鎖系での測定です。酸素が豊富にあり、空気の流れがなく、燃焼は急速かつ強力です。しかし、実際の火災は開放系であり、酸素レベルが変化し、風や空気の動きがあり、ゆっくりとくすぶった燃焼が何時間も続くこともあります。爆破試験で高いピーク熱を放出する材料は、実際の構造物では長時間くすぶっている可能性があり、たとえそのピーク熱が中程度であっても、持続的な火災の拡大に寄与する可能性があります。逆に、爆破試験での燃焼熱がわずかに低い材料は、外気の流れの中でより速く燃焼し、より急速な火災の延焼につながる可能性があります。燃焼熱試験機は、時間の経過とともに熱がどのように放出されるかではなく、総熱のみを測定するため、火災安全の重要な指標であるこれらの動的な時間依存の熱放出率を測定できません。このギャップが、現在、多くの火災安全基準で、熱発生率を時間の関数として測定するコーン熱量計または酸素消費熱量計による試験を義務付けている理由ですが、それらは基本的な燃焼熱試験の代替品ではなく、補完的なツールです。一部のメーカーは、ハード ケーシング遅延性能試験機を使用して、材料のケーシング (硬質プラスチックや金属シェルなど) が動的条件下で熱放出をどのように遅らせるかを評価します。これは、静的な実験室テストと実際の火災挙動の間のギャップを埋めるのに役立ちます。
見落とされがちなもう 1 つの制限は、材料構成の複雑さに関するものです。燃焼熱試験器は、純粋なポリマー、精製金属、単一成分の化学物質などの均質な材料に対して最も正確です。しかし、ほとんどの消費者製品や工業製品は混合物です。建築パネルには木質繊維、ポリマーバインダー、少量の難燃剤がすべて混合されている場合もあれば、コンポーネントには異なる材料の複数の層がある場合もあります (木芯、断熱材、金属外皮を備えたドアなど)。混合物や層状の材料は、燃焼中に小さな爆弾サンプルでは捕捉できない予期せぬ相互作用を引き起こす可能性があります。たとえば、2 つの無毒な成分が結合すると、燃焼時に非常に有毒な高熱のガスが放出される可能性がありますが、テスターはガスの組成ではなく総熱量のみを測定するため、このガスを見逃す可能性があります。さらに悪いことに、一部の層状材料には「吸湿」効果があります。点火すると、上層が最初に燃え、溶けて火が下層に伝わりますが、このプロセスは静的な爆弾室では再現できません。これは、層状材料の燃焼熱の測定値が、燃焼中に層が相互作用する実際の用途における実際の火災リスクを反映していない可能性があることを意味します。
私はこれを、住宅の壁用の新しい複合断熱材をテストしていた顧客から直接見てきました。小さく均質なサンプルの初期燃焼熱試験では、GHC 値が 18 MJ/kg であり、コード要件を十分に満たしていました。しかし、持続的な熱の下で断熱材がどのように機能するかをシミュレートする断熱ロックウール用熱負荷試験機でフルサイズのパネルをテストしたところ、断熱層が熱を閉じ込めてコアに集中させるため、実際の熱応力にさらされた場合、パネルの層状構造により 22 MJ/kg の熱が放出されることがわかりました。燃焼熱試験機のサンプルサイズが小さいため、層状の相互作用を検出できず、材料の耐火性能に対する初期の過信につながりました。これはよくある落とし穴です。燃焼熱試験機だけに頼ると、ベースラインは得られますが、複雑な製品が使用中にどのようなパフォーマンスを発揮するかはわかりません。
これらの制限は燃焼熱試験器自体の故障ではないことに注意してください。これらはツールの設計に固有のものであり、広範な現実世界の火災シミュレーションではなく、特定の標準化された測定を目的としています。テスターは、材料が建築基準法の最小放熱要件を満たしていることを検証するための基本的なツールですが、全体的な火災安全性について知っておくべきことをすべて伝えることはできません。そのため、最も信頼性の高い試験プログラムでは、複数のツールを組み合わせています。コア GHC データ用の燃焼熱試験機と他のデバイスを組み合わせて、サンプル サイズ、動的条件、材料の複雑さに対処します。たとえば、ドア アセンブリをテストするメーカーは、燃焼熱試験機を使用して芯材をチェックし、次にドアおよびシャッター火災試験炉を使用して、実際の火災時にドア全体がどのように機能するかを評価します。バルブ メーカーは、バルブのコンポーネントの燃焼熱試験とバルブ用耐火試験機を組み合わせて、火災にさらされた際の高温でバルブがどのようにシールされ、機能するかを確認します。難燃剤の性能をテストする場合でも、複数のツールが必要です。放熱を測定するための燃焼熱試験と、難燃剤がどのように拡散を防ぐかをチェックするためのハードケーシング難燃剤性能試験機との組み合わせです。
材料の燃焼熱試験機を市場に投入している場合、または火災試験プログラムの改善を検討している場合は、投資する前にこれらの制限を理解することが重要です。まず、測定する必要があるものを正確に定義することから始めます。規格準拠のために原材料の GHC を比較していますか? それとも、完成した積層製品の耐火性能を評価していますか?原材料の場合、高品質で校正された燃焼熱試験機を使用すると、信頼性の高い再現可能なデータが得られます。完成品の場合は、実際の状況をシミュレートするツールで製品を補完し、テスト結果が火災発生時の製品の実際の動作と一致していることを確認する必要があります。
サプライヤーとしての私の目標は、単に機器を販売することではなく、お客様がそれを正しく使用できるように支援し、いつ十分で、いつ追加のテストが必要かを理解できるようにすることです。世界標準に合わせて校正され、測定誤差を最小限に抑えるように設計され、専門家の技術指導によってサポートされる信頼性の高い材料の燃焼熱試験機をお探しの場合は、当社がお手伝いいたします。また、断熱ロックウール用の熱負荷試験機からドアおよびシャッター火災試験炉に至るまで、さまざまな補完的な試験機器も提供しており、各ツールの長所と限界の両方を考慮した完全な試験プログラムの構築に役立ちます。始めたばかりの小規模なラボであっても、何千もの材料をテストする必要がある大規模メーカーであっても、当社はお客様と協力して、お客様のニーズに合った適切な設定を見つけることができます。お客様の要件について話し合い、技術仕様を入手し、正確で実用的な防火データを提供するテスト プログラムを構築する方法については、当社のチームにお問い合わせください。
参考文献
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- スペイト、JG (2015)。炭素質物質とその燃焼。で産業用カーボンおよびグラファイト技術ハンドブック（127-152ページ）。オランダ、アムステルダム: エルゼビア。
- バブラウスカス、V. (2016)。熱発生率: 火災の危険性において最も重要な変数。防火ジャーナル、84、110-122。
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