Časopis 112 ROČNÍK XVIII ČÍSLO 5/2019

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA se dočtete o průběhu požáru sportovní haly trampolínového centra v Praze. O konferenci Červený kohout 2019. S poznatky s užíváním vyšetřovacího automobilu v rámci výkonu služby se podělilo TÚPO. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM představujeme nový polygon v Rychnově nad Kněžnou. Článek Záchrana osob z lanovky shrnuje poznatky z výcviku českých a polských hasičů. Problematika trhacích prací, od historie až po současnost. V rubrice OCHRANY OBYVATELSTVA A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ se seznámíte se vzdělávacím programem přípravy škol a školských zařízení na mimořádné události a krizové situace. V INFORMACÍCH se dočtete, kdo získal skleněnou hasičskou přilbu při slavnostním vyhlášení vítězů ankety Hasič roku 2018. Dále pak padly první rekordy na sportovním klání Jablonecké haly 2019. Oceněným blahopřejeme. Současně také přejeme novému řediteli HZS Pardubického kraje mnoho pracovních úspěchů v jeho nové pozici. 

Článek pojednává o požárně technických charakteristikách, které byly měřeny u materiálů používaných v různých značkách osobních automobilů. Rovněž je poukazováno na metody, kterými bylo výsledku dosaženo, a k čemu tyto hodnoty slouží.
Obr. 1 TÚPO - pracoviště stanovení vznětlivosti pevných materiálů. Zdroj: TÚPO

Rozvoj vědy a výzkumu ovlivňuje nepřetržitě všechny oblasti lidské činnosti a nevyhýbá se ani oblasti požární ochrany. Nové technologie výrobních procesů, nové materiály používané u širokého spektra výrobků, nevyjímaje osobní automobily (OA) a také velmi složité a sofistikované stavební objekty přinášejí ve svém důsledku požadavky na nová a pokroková opatření k předcházení požárům, nové hasební postupy a hasební látky. K tomu, abychom byli schopni se lépe na požár připravit, slouží modely požáru. Jako vstupní parametry pro modelování požáru se používají právě požárně technické charakteristiky (PTCH) hořlavých látek a materiálů.

Technický ústav požární ochrany MV ČSR (TÚPO) byl zřízen rozkazem náčelníka Hlavní správy Sboru požární ochrany (HSPO) dne 1. ledna 1993 jako zálohový útvar Hlavní správy Sboru požární ochrany MV ČSR. TÚPO byl rozhodnutím Ministerstva spravedlnosti ze dne 30. března 1993 zapsán do seznamu ústavů, kvalifikovaných pro znaleckou činnost, a to konkrétně v oboru požární ochrany (PO) s rozsahem znaleckého oprávnění pro příčiny požárů, hořlavost materiálů a výrobků a technické prostředky PO. V současné době je TÚPO technickým zařízením MV­-generálního ředitelství HZS ČR. (1) Všechna měření, analýzy a stanovení PTCH byly provedeny v TÚPO tzv. Setchkinovou metodou, kde se stanovovala vznětlivost materiálů používaných v OA a kónickou kalorimetrií, kde hlavním sledovaným parametrem byla rychlost uvolňování tepla.

Pod pojmem PTCH, případně technickobezpečnostní parametr, si lze obecně představit údaj nebo soubor údajů, které jsou potřebné pro stanovení preventivních opatření k ochraně života, zdraví osob a majetku.

Všechny zkoušené materiály používané v OA byly vyrobeny z plastu. Zvýšené využívání plastu v praxi však s sebou přináší i zvýšení nebezpečí z hlediska vzniku požáru. Značné požární riziko plastických hmot vedlo i k vývoji plastů se sníženou hořlavostí. Jejich podstata však zůstává stejná, jde stále o organické a tedy hořlavé materiály. I když při požáru nehoří plamenem, po určité době vlivem vysoké teploty degradují, hoří, respektive uhelnatí a zcela ztrácejí své mechanické vlastnosti. (2)

Posouzení požárního rizika u různých polymerních materiálů je úkol obtížný a často komplikovaný. Chemický průmysl produkuje stále nové materiály, přičemž jejich PTCH dokonale neznáme, proto na řadě míst, kde jsou využívány, mohou být zdrojem požáru. Abychom poznali PTCH materiálů používaných v praxi, musíme je otestovat souborem vhodných metodik, neboť dosavadní zkušenosti potvrzují, že požární riziko polymerního materiálu není možné posoudit na základě jediného testu. (2)

PTCH nejsou až na výjimky fyzikální konstanty, nýbrž konvenční veličiny. Rozsah zkoušek je nutné stanovit v úzké spolupráci mezi zkušební laboratoří a uživatelem, aby mohly být co nejpřesněji stanoveny tyto parametry. V návaznosti na tyto výsledky byl co nejlépe vyřešen cíl zkoušek – návrh vhodných ochranných opatření proti vzniku požáru a výbuchu, respektive proti jejich účinkům. Rozdíly naměřených PTCH a PTCH již publikovaných v odborných literaturách mohou být podmíněny stupněm čistoty zkoušených látek, rozdílností zkušebních metod a jejich přesností.

PTCH pevných látek z požárů se stanovuje na zařízení podle ČSN 64 0149 Stanovení vznětlivosti materiálu, v komorové peci podle Setchkina obr. 1. Lze na ní stanovit teplotu vznícení a teplotu vzplanutí vzorků pevných látek. Vznětlivost je schopnost materiálu zapálit se při zahřívání za zvýšených teplot. Vyjadřuje se teplotou vzplanutí a vznícení.

Metodu lze použít pro hodnocení plastů ve formě prášků, granulátu, kompaktní formě (destičky, hranolky), ve formě tuhých a měkkých fólií a lehčených tvrdých a měkkých materiálů, pro textilie, dřevo a jiné pevné materiály. (3)

Vzorek materiálu byl zahříván proudem vzduchu o určité konstantní teplotě a konstantní rychlosti proudění a sledovalo se, zda během 15 min nedošlo ke vzplanutí či vznícení materiálu (podrobně je tato metoda popsána ve 112, 9/2015).

Obr. 2 Teploty pecí a vzorků. Zdroj: vlastní výzkumKaždá pec byla propojena s počítačem, který byl vybaven vyhodnocovacím softwarem termočlánkovou ústřednou TC 08. Výsledky byly zobrazovány graficky na ose x, která znázorňovala čas a na ose y, která znázorňovala teploty pece a teploty vzorků. Na obr. 2 můžeme vidět, že červenou křivkou byla označena teplota pece č. 1 a fialovou teplota pece č. 2. Teplota vzorku v peci č. 1 byla označena modrou křivkou a v peci č. 2 pak barvou zelenou. Náhlé snížení teploty pece a teploty vzorku znamená, že měřený vzorek byl vložen do pece. Vznětlivost vzorku byla zobrazena náhlým nárůstem teploty vzorku.

Všechny vzorky materiálů ke zkouškám porovnávaných OA značek Škoda, Renault, Opel, Volkswagen byly shodně vybrány z OA vyrobených v roce 2011. Porovnány jsou podle druhů materiálů, ze kterých byly vyrobeny, podle svého použití a umístění v OA. Byly zkoumány vzorky ze sedaček OA vyrobené z polyuretanové pěny (PUR) a tkanina, kterou jsou sedačky v OA potaženy, vzorky z krytu motoru vyrobené z polyamidu (PA), tepelné izolanty pod kryty motorů vyrobené z PUR a textilie a skříňky u spolujezdce vyrobené z polyetylenu a polypropylenu (PE a PP). Při zkouškách vznětlivosti nebyly zásadní rozdíly mezi PTCH jednotlivých typů OA. Všichni výrobci OA používají pro výrobu komponent do aut podobné materiály.

Hlavním hořlavým materiálem u sedaček v OA je polyuretanová pěna. Její vznětlivost, v průměru od 350 °C do 380 °C, není z hlediska zapálení příliš uspokojivá. Naštěstí všechny porovnávané OA mají sedákovou pěnu potaženou tkaninou, která je upravena retardéry hoření tak, že hořlavost sedaček významným způsobem snižuje. Naměřené teploty vzplanutí (FIT) jsou u všech značek OA shodné, a to 390 °C, jen u OA Ford Focus je teplota vzplanutí o 10 °C vyšší. Teploty vznícení (SIT) jsou již dostatečně vysoké, a to od 450 °C do 470 °C. Jen u OA Opel Astra můžeme pozorovat v SIT podstatné rozdíly teplot oproti ostatním značkám OA. Nejenže SIT je menší než FIT, což je celkem ojedinělý jev, ale i SIT je o 85 °C nižší než u ostatních OA.

Tato odchylka může být způsobena tím, že jako vzorky byly použity materiály z autodílů, které byly několik let v běžném provozu. Některé hodnoty stanovených PTCH mohou být tedy ovlivněny i kontaminací materiálu provozními kapalinami jako olej či benzín, které mohly výsledky měření ovlivnit.

Z důvodu očekávaných vyšších provozních teplot v prostorách motoru jsou jejich kryty vyráběny z tepelně odolnějších materiálů. Převládajícím plastem pro výrobu motorových krytů je PA, který je ze strany přiléhající k motoru vyložený tepelným izolantem.
Z tohoto důvodu jsou do základního PA přidávána různá organická plniva a stabilizátory pro zlepšení požárních vlastností a zároveň zvyšují teploty SIT a FIT krytu motoru. Teplota vzplanutí u vzorku z OA je v průměru 416 °C a žádný ze vzorků nijak výrazně nevykazuje vyšší hodnoty. Teploty vznícení se pohybují v rozmezí od 450 °C do 480 °C, přičemž nejlepšími tepelnými vlastnostmi disponují vzorky vozu Opel Astra, jehož kryt byl vyroben z kvalitnějšího materiálu (PA66).

Výrazné rozdíly ve vznětlivosti jsou u vzorků tepelných izolantů Opel a Škoda. Teplota vzplanutí tepelného izolantu krytu motoru je u OA Škoda o 50 °C nižší a u teploty vznícení dokonce minimálně o 70 °C nižší než u OA Opel. Jak už bylo uvedeno, tyto propastné rozdíly v teplotách totožných vzorků mohou být způsobeny kontaminací vzorků provozními kapalinami.

Nabízí se otázka, zda pod kryty motoru dávat či nedávat tepelné izolanty z materiálů, které jsou schopny uniklé provozní kapaliny vstřebávat a tím zvyšovat hořlavost u těchto krytů. Možná proto nebyly ve zkoumaném roce výroby tyto materiály do vozidel značek Renault Clio a VW Golf instalovány vůbec.

U plastových skříněk je situace poněkud jiná. Vzhledem k tomu, že jsou v místech, kde se nepředpokládá, že materiál bude nějak výrazně tepelně zatěžován, jsou vyrobeny z levnějších materiálů s menší tepelnou odolností. Pro skříňky byly použity materiály hlavně z PP a PE s různou povrchovou úpravou, které jsou případně doplněny polyesterovou výplní skříňky. Jejich teploty vzplanutí jsou shodné u čtyř OA, tj. 370 °C. Jen u VW Golf je FIT 380 °C. Teploty vznícení se pohybují v rozmezí od 390 °C do 420 °C, přičemž nejmenší SIT byla naměřena u vzorku z OA Renault Clio a nejvyšší opět u VW Golf. Zbylé tři OA měly SIT 400 °C.

Druhou metodou, kterou byly vzorky z OA zkoušeny, je kónická kalorimetrie. Kónický kalorimetr podle ISO 5660-1 (4) slouží ke stanovení jedné z nejdůležitějších požárně technických charakteristik, konkrétně parametru rychlosti uvolňování tepla (HRR). Tato charakteristika indikuje velikost požárního nebezpečí, vyjadřuje míru hořlavosti materiálu a zároveň slouží jako důležitý nástroj při modelování rozvoje požáru a simulaci požárních scénářů.

Dalšími důležitými veličinami, které můžeme při měření na kónickém kalorimetru zjišťovat, jsou celkové uvolněné teplo (THR), intenzita vyzařování tepla (ARHE) a maximální intenzita vyzařování tepla (MARHE). Celkové uvolněné teplo vyjadřuje, kolik tepla se z materiálu uvolní během celého procesu hoření. Intenzita vyzařování tepla vyjadřuje průměrné množství uvolněného tepla v určitém časovém kroku. Hodnota MARHE odpovídá maximální zjištěné hodnotě ARHE. Parametry ARHE a MARHE jsou definovány v normě ČSN EN 45545-2. (5) Pro stanovení požadovaných parametrů jsou zkoušky minimálně dvakrát opakovány (tj. celkem jsou provedeny minimálně tři zkoušky).

Principem měření bylo působení sálavého toku tepla na povrch zkušebního vzorku. Zkušební vzorek o rozměrech 10 x 10 cm a maximální tloušťce 5 cm se na kónickém kalorimetru vystavoval zvolenému sálavému toku tepla ve dvou polohách, a to horizontální a vertikální.
Sálavý tok tepla byl u všech zkoušek nastavován na 25 kW.m-2. V obou polohách se měřily totožné vzorky ze stejného OA. Měřeny byly tkaniny, kterými jsou sedačky v OA potaženy. Vlivem vysoké teploty asi 605 °C došlo k odpaření retardérů hoření, kterými jsou tkaniny prokazatelně napouštěny. Efektivní výhřevnost (EHC) je u obou značek (Ford a Škoda) téměř stejná. Pohybuje se v rozmezí od 22.86 MJ.kg-1 do 26.17 MJ.kg-1, což je hodnota pohybující se v průměru 24,09 MJ.kg-1, kolem které se téměř všechny hodnoty pohybovaly. Při porovnání obou značek Ford a Škoda, jejichž vzorky byly vyrobeny z podobných materiálů, došlo u obou značek k rychlejšímu vznícení materiálů, a to přibližně o + 20 s, když byly nahřívány ve vertikální poloze. Poloha zářiče měla vliv i na celkové množství uvolněného tepla (THR), které bylo u značky Škoda i Ford vyšší v horizontální poloze. U značky Škoda to bylo v průměru o 5,29 MJ.m-2, u Fordu 15,51 MJ.m-2. Naopak vyšší naměřené hodnoty maximální rychlosti uvolňování tepla (HRR) se ukázaly v případě, že byl zářič i měřený vzorek ve vertikální poloze. Naměřená hodnota byla u obou značek asi + 10 kW.m-2.

Jedna z hlavních PTCH, a to HRR, která je kónickou kalorimetrií stanovována, je zachycena i na obr. 3. Průběh všech tří zkoušek je vyznačen modrou, červenou a zelenou křivkou. Je v něm uvedeno, jak všechny tři zkoušené vzorky podobně reagují, jak se téměř v totožném čase vznítí a jak začínají v závislosti na čase uvolňovat teplo, až po svou maximální hodnotu. Po dosažení maximální hodnoty začíná rychlost uvolňovaného tepla postupně klesat. Důležité u tohoto grafu je, aby všechny křivky měly podobný průběh. Pokud se od sebe křivky výrazným způsobem liší, dá se zkouška prohlásit za neplatnou a musí se provést nová tři měření.

Obr. 3 Rychlost uvolňování tepla v závislosti na čase (každá barva křivky znázorňuje jeden průběh celé zkoušky). Zdroj: vlastní výzkum	Obr. 4 Rychlost uvolňování tepla v závislosti na čase (každá barva křivky znázorňuje jeden průběh celé zkoušky). Zdroj: vlastní výzkum

Opačně je to u obr. 4, ze kterého vyplývá, že dvě zkoušky proběhly standardně a třetí vyjádřená zelenou křivkou vykazuje značné rozdíly, protože nebylo zapnuté čerpadlo, které zajišťuje požadovaný průtok spalin přes analyzátor plynů, tudíž byla zkouška neplatná.
Pomineme­ li třetí nevydařenou zkoušku a místo hodnot uvedených v tabulce v kolonkách THR, HHR a EHC napíšeme průměrné hodnoty z obou předešlých zkoušek, můžeme porovnat, jaký má vliv tepelný izolant umístěný na krytu motoru na naměřené PTCH. Tepelný izolant z PUR byl umístěn pod kryt motoru značky Renault, což poznáme v tloušťce vzorku, a to 10 mm oproti třem OA Opel. Při porovnání všech měřených PTCH vychází, že PUR jednoznačně negativně ovlivňuje průběh požáru ve všech ohledech. Hodnoty HRR, THR, EHC a dokonce i doba vzplanutí jsou v tomto případě za přítomnosti izolantu vyšší, což by se ukázalo na samém modelu požáru, že průběh požáru by se u obou OA lišil.

Nejméně hořlavé materiály, které byly zkoumány a použity v OA, jsou materiály vyrobené z PA, které se používají jako kryty motoru. Nízká hořlavost PA materiálů je důvodem jejich využití na výrobu krytů motorů osobních automobilů. Nejméně hořlavý ze všech měřených plastů je PA66, jehož vznětlivost 450 °C byla nejvyšší. Naopak nejhořlavější jsou materiály nacházející se v interiéru automobilů, a to PUR pěny sedaček automobilů a PE a PP využívané k výrobě skříněk palubních desek. Tkaniny, kterými jsou PUR pěny potaženy, snižují hořlavost interiérů automobilů. Tuto hypotézu potvrzují i výsledky z kónické kalorimetrie. Měření materiálů z krytů motorů, kde se vyskytovala PUR pěna, vykazovala nejvyšší hodnoty efektivní výhřevnosti, rychlosti uvolňování tepla i celkové uvolněné teplo. Tyto výsledky se vyskytují u značky Renault, kde byl měřen vzorek PUR tepelného izolantu motoru i PA kryt motoru společně.

Výsledky měření vzorků krytu motoru na kónickém kalorimetru.  Zdroj: vlastní výzkum

V praxi jasně vidíme, jak může výběr vzorku ovlivnit naměřené hodnoty PTCH. Nemusí to nutně být ovlivněno výrobcem a jeho výběrem materiálu, ale i případnou kontaminací testovaného vzorku. Je možné, že pokud by se komponenty z jednotlivých automobilů odebraly bezprostředně po jejich uvedení na trh, že by jejich PTCH měly jinou hodnotu, pokud vyloučíme, že vzorky z roku 2011 už také mohly částečně podlehnout degradaci stářím.

Z tohoto důvodu by měl být brán ohled na to, kde se bude daný druh plastu využívat. Je zřejmé, že se stále budou vyvíjet nové materiály z plastu, ale mělo by se zohlednit, že je to materiál podléhající degradaci, a ne vždy je lepší jej použít na úkor nižších nákladů nebo menší hmotnosti požadovaného výrobku. Jisté je, že vznětlivost a tepelné vlastnosti materiálů zásadním způsobem ovlivňuje plnivo a složení plastu.

Celkově můžeme konstatovat, že PTCH mají široký rozsah svého využití a jejich přínos z hlediska požární ochrany lze hodnotit velmi pozitivně, proto je důležité investovat do nových metod, které PTCH stanovují. Rovněž i vyvíjet a četněji využívat nové softwary a moderní technologie, které budou v boji proti požárům pomáhat a snižovat možnost vzniku požáru, nebo bránit jeho šíření.

Zdroje
(1) HZS ČR [online]. Praha: MV­ GŘ HZS ČR [cit. 2018-03-29]. Dostupné z: http://www.hzscr.cz/clanek/organizacni­ slozky­ technicky­ ustav­ pozarni­ ochrany­ historie.aspx.
(2) FILIPI, Bohdan. Plasty. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2003. ISBN 8086634132.
(3) ČSN 64 0149, Stanovení vznětlivosti materiálů. Praha: Český normalizační institut, 1978.
(4) ISO 5660-1:2015 Reaction­ to­ fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method) and smoke production rate (dynamic measurement).
(5) ČSN EN 45545-2+A1:2016 Drážní aplikace - Protipožární ochrana drážních vozidel - Část 2: Požadavky na požární vlastnosti materiálů a součástí.


Bc. Marek SABELA, Ing. Ladislav KARDA, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích

vytisknout  e-mailem  X Corp.   Facebook