Study on Multiphase Pyrolysis Kinetics and Fire Early Warning Characteristics of Cable Sheaths and Insulating Layers
本研究は、熱分析と速度論的モデリングを統合することで、多層ケーブルシースにおける傾斜型無機フィラーが熱分解メカニズムおよび揮発性放出物をどのように制御するかを解明し、最終的に、都市部のユーティリティトンネルの安全性を高めるための、特定の温度閾値と特徴的なガスマーカーに基づいた二段階の火災早期警告パラダイムを確立するものである。
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現代の都市の地下には、街の明かりを灯し、病院を稼働させ続ける電気エネルギーを運ぶ、複雑なユーティリティ・トンネルのネットワークが広がっている。これらの暗く閉鎖された空間の中では、厚いケーブルの束が、プラスチックやゴムの層によって保護されながら、インフラの中を蛇行している。シース（外装）として知られるこれらの外層と、内部の絶縁体は、火災に対する第一の防護壁である。しかし、これらの材料が過熱すると、単に溶けるのではなく、「熱分解（パイロリシス）」と呼ばれる化学的な崩壊を起こす。熱によって固体のプラスチックがガスへと分解されるのである。放出されるガスの中には毒性を持つものもあれば、可燃性を持つものもあり、小さな電気的故障を壊滅的な火災へと変えてしまう可能性がある。これらの材料がどのように、そしていつ崩壊するかを正確に理解することは、火災が広がる前に検知して、避難や介入のための貴重な時間を稼ぐことができる早期警戒システムを設計する上で極めて重要である。
中国警察大学と杭州公共交通股份有限公司の研究チームは、この隠れた化学プロセスをかつてないほどの精度でマッピングしようと試みた。彼らはケーブルの材料を単純で均一なブロックとして見るのではなく、プラスチック内部の鉱物充填剤（ミネラル・フィラー）の量が熱に対する挙動を変化させる、複雑な多層構造システムとして扱った。彼らは、実際のケーブルで使用されている4つの特定の材料に焦点を当てた。標準的なプラスチック・シース、中程度の鉱物添加物を含む難燃性シース、高濃度の鉱物が詰め込まれた耐火シース、そして架橋ポリエチレンで作られた内部絶縁コアである。研究者たちは、これらのサンプルを制御された環境下で加熱しながら、同時にどれだけの質量が失われたかを測定し、放出される特定のガスを分析することで、崩壊が起こる様子をリアルタイムで観察することができた。
研究の結果、内部絶縁体と外部シースは、根本的に異なる形で故障することが明らかになった。電流を保護する内部絶縁体は、単一の固体ユニットのように振る舞う。400度から500度の間の臨界温度に達すると、それは一気に崩壊し、大量のメタンやその他の炭化水素ガスを放出する、急速な単段階の崩壊を起こす。対照的に、外部の世界からケーブルを保護するように設計されている外部シースは、より複雑な多段階のプロセスを経て劣化する。研究者たちは、シース内部に含まれる鉱物充填剤の量が、この崩壊のレギュレーター（調節器）として機能することを発見した。鉱物が添加されていない標準的なプラスチック・シースでは、材料はより低い温度で急速に分解し、毒性のある塩化水素ガスや可燃性の破片として大量の重量を放出する。
研究者が鉱物充填剤の量を増やしていくと、シースの挙動は劇的に変化した。中程度の鉱物を含む難燃性シースでは、分解が遅くなり、危険なガスの放出が減少した。鉱物は希釈剤のように機能し、可燃性のプラスチックを分散させ、熱が材料内を移動するのを困難にした。最も高い濃度の鉱物を含む耐火シースでは、その効果はさらに顕著であった。鉱物は単にプロセスを遅らせるだけでなく、分解の化学的性質を根本的に変えてしまったのである。高温下において、これらの鉱物は互いに融合して硬いセラミックのような障壁を形成し、ガスを内部に閉じ込めた。この障壁は非常に効果的であり、火災の主要な燃料となるメタンの放出を、標準的なプラスチックと比較して2桁以上減少させた。
研究者たちはまた、これらの材料の化学結合を切断するために必要なエネルギーが、充填剤の含有量に応じて変化することも発見した。標準的なプラスチックの場合、結合を切断するには高いエネルギーを必要としたが、鉱物含有量が増えるにつれて、分解を開始するために必要な見かけ上のエネルギーは実際には減少した。この直感に反する結果は、鉱物がプラスチックの連続的な構造を分断し、全体としてではなく、より小さく局所的なポケット状に分解するように強制したために起こった。しかし、耐火シースの分解の最終段階では、エネルギー要求量は再び跳ね上がった。これは、鉱物が、あの保護的なセラミック・シェルを形成するために焼結するという困難な物理的変形を経なければならず、そのプロセスが多大な熱を消費するためである。
熱、質量減少、およびガス放出のこれらの観察結果を組み合わせることで、チームはケーブル火災を検知するための新しい二段階のシステムを確立した。第1の警告段階である「ティアI」は、摂氏270度から310度の間で発生する。この時点で、外部シースが劣化し始め、塩化水素と一酸化炭素を放出する。これは、保護ジャケットが機能不全に陥っているという信号である。第2の、より重大な段階である「ティアII」は、約450度で、内部絶縁体が崩壊する際に発生する。この段階は、メタン、エチレン、およびアセチレンの突然の放出によって特徴付けられる。この二段階のアプローチにより、監視システムは、対処可能な軽微なオーバーヒート事象と、即時の緊急対応を必要とする壊滅的な故障を区別することができる。この研究は、異なるケーブル材料の特定の化学的シグネチャーを理解することで、エンジニアが都市の電力を供給する地下トンネルのために、よりスマートで、より感度の高い安全システムを構築できることを裏付けている。
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