Modelado de los parámetros térmicos y cinéticos para la caracterización de la reacción al fuego de materiales

Resum

Esta tesis presenta una metodología para el análisis del estudio de la fase sólida de la descomposición térmica de los materiales. La información de los procesos de descomposición proporciona datos vitales para interpretar el comportamiento al fuego de los productos. Para caracterizar un material de manera adecuada, es necesario saber cómo se produce la descomposición térmica, es decir, las propiedades térmicas y cinéticas que gobiernan el proceso de pirólisis que se produce debido al proceso de calentamiento al que se encuentra sometido. Las técnicas de análisis térmico han demostrado ser idóneas para obtener los datos térmicos y cinéticos de los materiales. Esas técnicas se pueden clasificar según el tamaño de la muestra. En escala de miligramos, las técnicas más comunes son el análisis gravimétrico térmico (TGA) que proporciona información sobre cómo pierde el peso la muestra debido al aumento de la temperatura y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) que ofrece información sobre la energía liberada o absorbida por la muestra con el aumento de temperatura. En escala de gramos, el cono calorimétrico y el Fire Propagation Apparatus (FPA) son los equipos más empleados. Ambos, obtienen la cantidad de energía liberada por la muestra cuando se somete a una fuente térmica. Una vez obtenidas las curvas experimentales, existen varios métodos para definir las propiedades térmicas y cinéticas. Pueden clasificarse como métodos de adaptación de modelos, isoconversional y métodos numéricos. La metodología presentada en esta tesis propone crear un método que, aunando un método de optimización numérica y un modelo de simulación de la fluidodinámica computacional (CFD), obtenga los parámetros cinéticos y térmicos de los materiales en miligramos aproximando de forma simultánea las curvas TGA y DSC simuladas a las experimentales obtenidas en los ensayos de laboratorio. La evaluación de ambas curvas llevó a obtener un conjunto de parámetros cinéticos y térmicos que permitió obtener una representación de la pirólisis más completa, puesto que recoge toda la información de los procesos, es decir, la pérdida de masa y el balance energético. En este documento se presentan los resultados de la aproximación y las conclusiones del análisis. Una vez determinado el set de parámetros que caracteriza el material en escala de miligramos, ese mismo set fue empleado para simular mediante un modelo CFD los ensayos de cono calorimétrico para diferentes flujos de calor. Los datos de las simulaciones fueron comparados con ensayos de laboratorio de cono calorimétrico. En esta tesis se presentan los resultados de la comparación entre escalas (miligramos y gramos) de los materiales analizados y los efectos del cambio de escala. Para llevar a cabo un análisis más completo de los efectos del cambio de escala, y no establecer conclusiones que se puedan limitarse a un material o una única familia, se analizaron varios tipos de materiales: lignucelulósicos, polímeros termoplásticos y polímeros termoestables.