Termoestável vs. termoplástico

17 dezembro 2020 Kingspan Isolamento
Materiais auto-extinguíveis

 

O isolamento de espuma fenólica Kooltherm e o polietileno são materiais "inflamáveis".

Anteriormente, explicamos que Kooltherm, um material termicamente estável, carboniza quando submetido a uma fonte de calor significativa. Aqui vamos explicar como isso difere do polietileno, um material termoplástico, que se funde.

Para testar os factos e demonstrar as diferenças de comportamento dos termoestáveis e termoplásticos quando expostos ao calor, realizamos uma série de testes indicativos ISO 5660-1. Se ainda não viu o vídeo destas provas indicativas, pode encontrá-lo aqui ou abaixo.(Contém link para vídeo sobre termoplásticos e termoestável)

Em resumo, o vídeo mostra a carbonização da espuma fenólica quando arde enquanto o polietileno derrete e se decompõe termicamente por completo. Nesta publicação, vamos analisar mais de perto como o comportamento de diferentes materiais "combustíveis" pode variar.


O teste

O teste ISO 5660-1 especifica um método para avaliar a libertação de calor e a produção de fumo de um material. Também conhecido como o teste do cone calorimétrico.

O teste requer uma amostra de 100 x 100 mm que é envolta numa camada de papel de alumínio com a superfície superior da amostra exposta. Uma vez colocado no suporte da amostra, qualquer excesso de papel de alumínio na superfície superior da amostra é removido. Para garantir que a amostra de teste não é exposta ao calor do painel radiante antes do início do teste, é colocado um escudo de radiação removível sobre a amostra de teste. Após 15 segundos, o escudo é removido e o queimador é aceso. A duração do teste deve ser realizada de acordo com a secção 11.3.5 da norma de teste.


Os vídeos

Recapitulando, a primeira demonstração mostrada no vídeo consiste em expor uma amostra de isolamento de espuma fenólica a um painel de calor radiante durante 3 minutos. No início do teste, o calor do painel faz com que a amostra seja submetida à pirólise. Esta pirólise resulta na formação de uma camada de carbonização sobre a superfície da amostra. Esta pirólise também liberta gases combustíveis, que não podem ser vistos, mas como resultado da sua combustão posterior, serão observadas chamas adicionais que ocorrem 23 segundos após o teste. Estas chamas são mais evidentes nos primeiros 30 segundos do teste, após a introdução do painel radiante, enquanto a carbonização inicial é formada. Depois disto, as chamas são gradualmente extintas e a camada de carbonização aumenta. A energia liberada pela combustão dos gases da pirólise fornece parte da energia necessária para produzir mais pirólise. No entanto, após 3 minutos e 5 segundos, quando o escudo de radiação volta à sua posição acima da amostra para terminar o teste, a energia da combustão dos gases de pirólise por si só é insuficiente para suportar mais pirólise e a amostra auto-extingue-se imediatamente.

A segunda demonstração expõe uma amostra de pérolas de polietileno ao calor de um painel radiante. O polietileno derrete. Esta fusão torna a formação da camada de carbonização impossível, uma vez que este fenómeno só pode ser formado a partir de sólidos. Posteriormente, o polietileno líquido é submetido à pirólise. Esta pirólise liberta gases combustíveis, que não podem ser vistos, mas como resultado da combustão posterior, são produzidas chamas que podem ser observadas. Estas chamas são evidentes a partir do minuto 1 e 5 segundos e tornam-se cada vez mais virulentas após o minuto 1 e 25 segundos. Estas chamas continuam após o final do teste aos 3 minutos e continuam até que todo o polietileno tenha sido submetido à pirólise. Isto é mostrado no final do vídeo onde pode ver que o polietileno está completamente decomposto termicamente.

Agora, vamos ver exactamente o que está a acontecer com estes materiais para obter estes resultados diferentes.


A ciência por detrás do vídeo

Como mencionado acima, os materiais combustíveis desenvolvem um processo de pirólise quando submetidos a uma fonte de calor; isto aplica-se tanto ao polietileno quanto ao isolamento com espuma fenólica. A pirólise é a decomposição térmica de um material combustível. No entanto, o resultado da pirólise é extremamente diferente para os dois materiais.

Quando o isolamento de Kooltherm, um material de espuma fenólica termoelétrica é submetido à energia térmica, a pirólise resulta em dois produtos: gases combustíveis quentes (gases de pirólise) e carvão. Em resumo, as chamas posteriores que vê durante o vídeo são o resultado da reacção exotérmica (combustão) entre os gases combustíveis quentes e o oxigénio. As chamas extinguem-se após os primeiros 30 segundos do vídeo, devido à formação da camada de carbonização. Esta camada protege o isolamento não carbonizado abaixo da sua superfície da fonte de calor (e o calor da combustão dos gases da pirólise) e, portanto, retarda a sua pirólise. Enquanto a camada de carbonização está em pirólise, a taxa de emissão de gases de pirólise diminui, e a natureza dos gases de pirólise muda, quanto mais a carbonização é pirolizada. O efeito é que a taxa de produção de gases de pirólise, e a intensidade da chama produzida pela sua combustão, é reduzida após a formação da camada de carbonização inicial até se atingir o equilíbrio.

A energia libertada pela combustão dos gases da pirólise fornece parte da energia necessária para produzir mais pirólise. No entanto, quando a fonte de calor é removida, a energia da combustão dos gases de pirólise por si só é insuficiente para resistir a mais pirólise, e o isolamento torna-se auto-extinguível.

Para o polietileno, um material termoplástico, a reacção imediata ao calor é de amolecer e derreter. Uma vez derretido o material, ocorre a pirólise e faz com que o líquido se decomponha e gere gases combustíveis quentes (gases de pirólise). As chamas que vê durante o vídeo são o resultado da reacção exotérmica (combustão) entre os gases combustíveis quentes e o oxigénio. Como a pirólise do polietileno líquido não resulta numa camada protectora de carbonização, a taxa de emissão de gases combustíveis da pirólise é mantida e a chama não se extingue rapidamente. As chamas continuam até que o polietileno líquido seja completamente decomposto termicamente. Num cenário de incêndio real, isto pode causar uma maior contribuição para a propagação do fogo. Além disso, se colocado verticalmente dentro de um sistema de construção, gotas em chamas podem cair do material. Estes podem afetar outros materiais e causar incêndios secundários, provocando a propagação do fogo para outras partes do edifício.

Isto mostra que existe uma grande variedade no comportamento de combustão dos materiais "combustíveis".