Johan Mangs & Anna Matala , VTT, PL 1000, 02044 VTT
Mikrokalorimetri – uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite hankittu VTT:lle Tiivistelmä VTT:llä on vuoden 2013 keväällä otettu käyttöön uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite mikrokalorimetri (Micro-scale Combustion Calorimeter, MCC). Se on Yhdysvaltain ilmailuhallinnon kehittämä tutkimuslaite, jonka alkuperäinen tarkoitus oli parantaa lentokoneissa käytettävien materiaalien paloturvallisuutta. Laitteella voidaan määrittää muovien, tekstiilien, puun ja muiden jähmeiden aineiden palamisominaisuuksia. Mikrokalorimetrimenetelmä on määritelty standardissa ASTM D7309-11. Menetelmässä lämmitetään pieni, tyypillisesti 5–10 mg, näyte hallitun lämpötilaohjelman avulla. Näytteestä vapautuvat kaasut sekoitetaan happeen ja poltetaan täydellisesti korkeassa lämpötilassa. Palamisessa vapautunut lämpö määritetään jatkuvasti kokeen aikana hapenkulutuskalorimetrialla. Mittauksen tuloksena saadaan paloteho ajan ja lämpötilan funktiona sekä syttymislämpötila. Jakamalla kokeen aikana vapautunut energia kokeen aikana hävinneellä massalla saadaan näytteen palamislämpö. Jakamalla paloteho lämpötilan nousunopeudella saadaan palotehokapasiteetti, joka on tällä laitteella määritetty syttyvyyteen liittyvä materiaaliparametri. VTT:llä laitetta käytetään mm. materiaalien pyrolyysimallinnuksen tukena.
MIKROKALORIMETRIN TAUSTA JA TOIMINTA Materiaalien paloriskien arviointiin on kehitetty lukuisia koemenetelmiä, joissa mita-
taan palon syttymiseen ja leviämiseen liittyviä suureita. Keskeisin näistä on lämmönvapautumisnopeus (paloteho) ja sen mittaamiseksi on kehitetty useita kalorimetrimenetelmiä, joissa näytekoko on suuruusluokkaa 100 g. Näiden menetelmien tulokset riippuvat syttymislähteestä, näytteen paksuudesta ja suunnasta, ilmanvaihdosta ja reunaehdoista [1] ja ovat siten menetelmäkohtaisia. Yhdysvaltain ilmailuhallinnossa (Federal Aviation Administration, FAA) on siksi kehitetty menetelmä, joka milligramman koenäytteillä yhdistää materiaaliominaisuuksia
palokäyttäytymiseen tai palotestituloksiin. Mikrokalorimetri (Micro-scale Combustion Calorimeter, MCC) otettin ensimmäisen kerran käyttöön vuonna 1996 [2] ja siitä on sen jälkeen kehitetty kaupallinen tuote. Alkuperäinen sovelluskohde oli lentokoneissa käytettävien materiaalien palokäyttäytymisen arviointi, mutta laite on nykyään maailmanlaajuisessa käytössä erilaisten materiaalien palo-ominaisuuksien määrittämisessä. Menetelmästä on vuonna 2007 vahvistettu standardi muovien ja muiden jähmeiden aineiden syttyvyysominaisuuksen määrittämi-
Kuva 1. Näytemäärä eri palokokeissa.
Kuvassa 2 esitetään mikrokalorimetrin toimintaperiaate kaavamaisesti. Liekehtiväs palamisessa jähmeän faasin (pyrolyysi) ja kaasumaisen faasin (palaminen) prosessien välil PALOTUTKIMUKSEN PÄIVÄT 2013 89 tuoda on voimakas kytkentä. Mikrokalorimetrissa nämä kaksi on erotettu toisistaan. Näyte pyrolyysikammioon, missä se lämmitetään lineaarisesti ohjelmoitavan automatiikan avul