Materiaaltests Tijdens de materiaalonderzoeken worden de klemmen op materiaalveranderingen getest. Materiaalonderzoeken richten zich op langdurigere belastingtests in de vorm van constant hogere temperaturen, kruipgedrag door vochtig en verontreiniging evenals een gesimuleerde veroudering van de materialen.

Met het oog op een lange levensduur van aansluitklemmen speelt ook het verouderingsgedrag een belangrijke rol. In deze test wordt tijdens een gesimuleerde veroudering de contactkwaliteit aangetoond. Om een meerjarig gebruik te simuleren, worden vijf aansluitklemmen horizontaal op een rail gemonteerd en met aders met een nominale aansluitdoorsnede in serie geschakeld. Aangesloten met een minstens 300 mm lange ader, wordt bij elke aansluitklem de spanningsval gemeten. De laagste temperatuur in de klimaatkast wordt ingesteld op 20 °C. De maximumtemperatuur wordt daarentegen zodanig ingesteld dat tijdens de 10 minuten durende houdfase de maximaal toelaatbare bedrijfstemperatuur (max. +120 °C) van het testexemplaar wordt bereikt. Tijdens de opwarmfase en de houdfase met maximale temperatuur vloeit de nominale stroom. Hierdoor wordt de maximaal toelaatbare bedrijfstemperatuur van het testexemplaar (max. +130 °C) bereikt. Daarna volgt de afkoelingsfase. De spanningsval wordt steeds na 24 cycli in afgekoelde toestand (ca. +20 °C) gemeten. De test omvat in totaal 192 cycli. De spanningsval mag bij aanvang van de test niet hoger zijn dan 3,2 mV en tijdens of na de test niet hoger dan 4,8 mV resp. het 1,5-voudige van de na de 24e cyclus gemeten waarde. De aansluitklemmen van Phoenix Contact zijn ontworpen voor een zeer lange levensduur, ook onder zware temperatuursomstandigheden. Kunststoffen bieden, net als metalen delen, voldoende veiligheidsreserves.

Sinds maart 2013 heeft de EN 45545-2 de nationale brandveiligheidsnormen voor railvoertuigen vervangen. De huidige versie EN 45545-:2013+A1:2015 legt de eisen vast voor de brandbaarheid van materialen en componenten. Om kunststoffen voor bepaalde bedrijfs- en bouwtypeklassen van railvoertuigen te kwalificeren, beschrijft de norm op basis van testmethoden voor het bepalen van gevarenniveaus zogenoemde Hazard Levels (HL). Daarbij staat HL 3 voor de hoogste eisen. De volgende tests worden uitgevoerd voor de kwalificatie van kunststoffen voor elektrotechnische toepassingen:

• zuurstofindex volgens DIN EN ISO 4589-2
• rookgasontwikkeling volgens EN ISO 5659-2 (25 kW/m²)
• rookgastoxiciteit NF X70-100-2 (600 °C)
• beproevingsmethode voor verticale vlammen volgens EN 60695-11-10
  De in de modulaire aansluitklemmen van Phoenix Contact toegepaste onversterkte polyamiden met vlamveiligheidsklasse UL 94 V0 voldoen aan de hoogste eisen. Ze voldoen aan vlamveiligheidsklasse HL3 overeenkomstig de tests die zijn beschreven in de Requirement Sets R22, R23, R24 en R26.

De norm UL 94 beschrijft brandbaarheidstests die van bijzondere betekenis zijn voor de elektrotechniek. De brandbaarheid staat daarbij centraal. De classificatie vindt plaats in UL 94 HB (Horizontal Burn) of UL 94 V (Vertical Burn). Uit de proefopstelling blijkt dat de UL-94-V0/1/2-classificaties hoogwaardiger zijn dan de UL-94-HB-classificatie.

UL 94 V0/1/2
Na een conditionering wordt het testexemplaar verticaal geplaatst en gedurende 10 s een aantal keer aan vuur blootgesteld. Tussen het blootstellen aan vlammen wordt de tijd gemeten tot het testexemplaar is gedoofd. Vervolgens worden de nabrandtijden en het smeltgedrag beoordeeld. De voor de aansluitklemmen van Phoenix Contact gebruikte kunststof voldoet aan de hoogwaardigere criteria voor een classificatie als V0-materiaal.

Brandbelasting is gedefinieerd als de bij een brand vrijgekomen hoeveelheid energie op een bepaald oppervlak. De waarde voor de brandbelasting wordt uitgedrukt in MJ/m². De waarde wordt berekend uit de verbrandingswaarde van een stof en de opbrandfactor (DIN 18230-1). Hoe hoger de verbrandingswaarde en de aanwezigheid van een stof, des te groter is de bij een brand vrijgekomen hoeveelheid energie. Daaruit volgt, des te hoger is ook de mogelijke brandbelasting. Dit geldt voor alle componenten die in de betrokken toepassing zijn geïnstalleerd. De verbrandingswaarden van polyamiden zoals PA 6.6 zijn relatief hoog (ter vergelijking: de verbrandingswaarde van stookolie bedraagt ca. 44 MJ/kg). Daarbij worden steeds vaker ook de verbrandingswaarden van aansluitklemmen voor het bepalen van de brandbelasting betrokken. De verbrandingswaarden van de bij Phoenix Contact gebruikte kunststoffen volgens DIN 51900-2 en ASTM E 1354 staan in de volgende tabel. Om de brandbelasting van afzonderlijke componenten te berekenen, wordt de verbrandingswaarde van de betreffende polyamide vermenigvuldigd met het betreffende gewicht en het aantal gemonteerde artikelen. De warmte-afgifte wordt gedocumenteerd in de kegelcalorimeter volgens ISO 5660-1 voor de kunststof materialen.

Bij overbelasting kunnen stroomvoerende metalen delen van de aansluitklem of aangesloten ader zeer sterk worden verwarmd. Deze extra warmte heeft effect op de kunststof behuizing. Om deze bron van gevaar te simuleren, wordt in elektrotechnische componenten een gloeidraad verhit tot een bepaalde temperatuur (+550 °C, +650 °C, +750 °C, +850 °C of +960 °C). De draad wordt vervolgens, zoals te zien op de afbeelding, in een rechte hoek met een kracht van 1 N op het dunste behuizingspunt van het proefstuk gedrukt.
De test is doorstaan bij de volgende resultaten:

• wanneer er tijdens de test geen vlam ontstaat of iets gaat smeulen
• wanneer vlammen of smeulende delen binnen 30 seconden na het verwijderen van de gloeidraad doven
• wanneer het onder de gloeidraad geplaatste zijdepapier niet door lekkende, brandende druppels ontsteekt

De bij Phoenix Contact als behuizingsmateriaal gebruikte polyamiden voldoen steeds aan de eis van de gloeidraadtest bij een temperatuur van +960 °C (hoogste temperatuurniveau).

In de bijbehorende test wordt een verhoogde thermische belasting van de aansluitklem over een langere periode gesimuleerd. Daarvoor wordt het gedrag van kunststoffen bij constant hogere temperaturen met betrekking tot de trekvastheid (mechanische flexibiliteit) bekeken. De norm vereist ten minste drie, maar bij voorkeur vier verschillende temperatuurmeetreeksen bij een testexemplaar. De trekvastheid wordt gemeten vóór en na opslag gedurende 500 uur - 5000 uur, afhankelijk van de specificatie, en het resultaat wordt geëxtrapoleerd naar 10.000 uur (HCI) en 20.000 uur (TI). Daardoor wordt de temperatuur bepaald waarbij de trekvastheid na de genoemde 20.000 uur met de helft is afgenomen. IEC 60216 geeft de TI als een temperatuurindex aan die informatie geeft over de mechanische gebruikslevensduur van kunststoffen onder warmtebelasting.
TI-waarden volgens UL 94 V2: +105 °C
TI-waarden volgens UL 94 V0: +125 °C

De luchtvochtigheid is afhankelijk van temperatuur en luchtdruk. Hoe warmer de lucht, hoe meer vocht deze kan opnemen. Een luchtvochtigheid van 100 % geeft de maximale verzadiging van waterdamp in de lucht bij de desbetreffende temperatuur weer. De hier beschreven test omvat een of meer temperatuurcycli bij een hoge luchtvochtigheid (>90 tot 100 % bij +40 °C of +55 °C). De klemmenbehuizingen zijn gewoonlijk gemaakt van polyamide. Deze kunststoffen nemen evenredig water op en veranderen daardoor ook hun elasticiteit. Polyamiden PA6 en PA66 kunnen een vochtgehalte van meer dan acht massaprocent absorberen, wanneer ze meerdere dagen op ongeveer +80 °C in water worden gelegd. De vochtabsorptie gaat ook gepaard met een dimensionele verandering door "opzwellen". Onder reële klimatologische omstandigheden absorbeert polyamide ongeveer 2 tot 4 % vocht bij een lengteverandering van 0,6 tot 0,8 %. Bij aansluitklemmen moet na het doorlopen van de testcycli zijn gewaarborgd dat ze goed vastzitten, nog te bedienen zijn en functioneren middels een isolatietest en test of de aders goed vastzitten.
Bij het test-strengheidsniveau A worden de aansluitklemmen onderworpen aan twee cycli bij +40 °C.
Bij het test-strengheidsniveau B worden de aansluitklemmen onderworpen aan één cyclus bij +55 °C.

De volgende test met droge warmte wordt gebruikt om de geschiktheid van een component voor werking, opslag of vervoer bij een hoge temperatuur te beoordelen.

Er wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen testexemplaren die warmte afgeven en testexemplaren die geen warmte afgeven. Aansluitklemmen behoren tot deze laatste categorie en worden daarom onderworpen aan het testscenario test Bb (met geleidelijke temperatuurverandering). De niveaus worden bepaald door de belastingstemperatuur en de belastingsduur. Bij aansluitklemmen moet naderhand zijn gewaarborgd dat ze goed vastzitten en functioneren door een isolatietest en test of de ader goed vastzit.

Het niveau voor aansluitklemmen van Phoenix Contact ligt bij +85 °C en 168 uur.

De sleutelrol die de metalen delen van elektrische aansluitingen spelen, wordt vooral duidelijk in ruwe omgevingen. Corrosievrije contactvlakken zijn een voorwaarde voor laagohmige en daardoor duurzame aansluitingen. Deze beproevingsmethode beschrijft een corrosietest in omgevingen met condenswater en een zwaveldioxidehoudende atmosfeer. Daarbij worden zure verbindingen gevormd van < Ph 7, die inwerken op metalen oppervlakken. In de testkamer worden twee liter gedestilleerd water en één liter SO2-gas samengevoegd. Bij een temperatuur van +40 °C wordt tijdens de test zwavelzuur (H2SO3) gevormd. Na een testtijd van acht uur worden de testexemplaren gedurende 16 uur bij geopende deur gedroogd. Na het beëindigen van de test worden, naast de visuele controle van de testexemplaren nog metingen van de overgangsweerstand uitgevoerd om de invloed van deze corrosietest op de aansluiting nader weer te geven. De aansluitklemmen van Phoenix Contact genereren hoogwaardige, gasdichte aansluitingen, die zelfs niet worden beïnvloed door bijtende media.

Met name in de scheepsbouw en voor offshore-toepassingen moeten technische componenten permanent in corrosieve atmosferen functioneren. Het zoutgehalte van de lucht stelt in combinatie met de verhoogde vochtigheid hoge eisen aan de gebruikte metalen delen. Op basis van de hierboven genoemde norm wordt de belasting bij zeeklimaat gesimuleerd. Het weerstandsvermogen van de metalen delen en de corrosiebescherming wordt getest met behulp van een zoutneveltest in corrosieve atmosfeer. Hiervoor worden de testexemplaren in de testkamer geplaatst en gedurende 96 uur fijn gedoseerd besproeid met een natriumchlorideoplossing (NaCl: pH-waarde 6,5 - 7,2) van 5 % bij een temperatuur van +35 °C. Om de invloed op de contactpunten beter te kunnen beoordelen, wordt na afloop van de test naast de visuele inspectie van de testexemplaren een elektrische test uitgevoerd. Phoenix Contact-aansluitklemmen van alle aansluittechnieken maken gasdichte aansluitingen, waardoor de contactpunten ook onder extreme klimatologische omstandigheden tegen corrosie zijn beschermd.

Vocht en vuil bevorderen het kruipgedrag op het kunststof oppervlak. Kruipgedrag is de vorming van geleidende verbindingen tussen aangrenzende potentialen. Dit is afhankelijk van het spanningsverschil tussen de potentialen onder elektrolytische invloeden. De CTI-waarde van een kunststof geeft aan in hoeverre dit kruipgedrag wordt belemmerd. Op een testlichaam 20 mm x 20 mm x 3 mm worden op een afstand van 4 mm twee platina-elektroden geplaatst. Op beide elektroden wordt een volgens de norm opgegeven isolatiespanning aangelegd. Vervolgens bedruppelt een inrichting met elektrolytoplossing de elektroden elke 30 seconden met een druppel. De proef beoordeelt de maximale spanningswaarde zonder dat er stroom >0,5 A vloeit. De door Phoenix Contact gebruikte kunststoffen zijn met een CTI-waarde van 600 ingedeeld in de hoogste isolatiespanningscategorie.

Bij de toepassing van aansluitklemmen is de brandbaarheid bij rechtstreeks contact met een ontstekingsbron een belangrijk criterium. Dergelijke ontvlambare ontstekingsbronnen kunnen bijv. vlambogen bij een kruipweg zijn. Aansluitklemmen mogen de brand niet stimuleren of versnellen, de kunststoffen dienen zelfdovend te reageren. Met deze brandtest wordt het gedrag van de componenten ten opzichte van een externe ontstekingsbron gesimuleerd, die van buitenaf rechtstreeks op de componenten inwerkt. In de beproevingsmethode wordt een zijde of vlak van het testexemplaar langer dan 10 seconden onder een hoek van 45° blootgesteld aan een met butaangas gevoede open vlam (zie afb.). Aansluitend wordt het gedrag van het testexemplaar zonder ontstekingsbron
geobserveerd. De test is doorstaan, wanneer vlammen of smeulende delen binnen 30 seconden na het verwijderen van de vlam doven en het onder het testexemplaar geplaatste zijdepapier niet door lekkende, brandende druppels ontsteekt. Alle aansluitklemmen van Phoenix Contact doorstaan dankzij de gebruikte hoogwaardige kunststoffen en vanwege de constructie de test met de naaldbrander.

Voor de beoordeling van de oppervlaktebrandbaarheid en de vlamverspreiding van kunststof wordt volgens ASTM E 162 de zogenoemde Flame-Spread-Index bepaald. Hiervoor wordt een testexemplaar met een warmtebron bestraald en bovendien met een open vlam ontstoken. Tijdens de testduur wordt de tijd bepaald waarin de voorzijde van de vlam twee uit elkaar liggende meetpunten bereikt. Uit het product van deze vlamverspreidingstijd en een berekende wamteontwikkelingsfactor blijkt de Flame-Spread-Index. Verder wordt tijdens de test het smeltgedrag van de kunststof geobserveerd en beoordeeld. In Amerika mag de maximale Flame-Spread-Index 35 bedragen. De aansluitklemmen van Phoenix Contact bereiken een waarde van 5 en vormen geen brandende druppels. Daarmee ligt de waarde ver onder de maximaal toelaatbare waarden van de Federal Railroad Administration (FRA) van het Amerikaanse Department of Transportation.

EN ISO 5659-2 beschrijft een methode voor de beoordeling van de rookontwikkeling van een materiaal in het geval van een brand onder extra stralingswarmte. De test wordt uitgevoerd op in totaal zes testexemplaren, maar afzonderlijk in een luchtdicht afsluitbare testkamer. De testexemplaren moeten vierkant zijn (75 mm x 75 mm), met een plat oppervlak en niet dikker dan 25 mm. Ze worden zodanig met aluminiumfolie omwikkeld dat alleen aan de bovenzijde een belastingsvlak van 65 mm x 65 mm vrij blijft. Voor de test wordt het testexemplaar horizontaal in een houder vastgezet en het oppervlak wordt gedurende 10 minuten blootgesteld aan een bestraling van 25 kW/m². De test wordt bij drie testexemplaren zonder ontstekingsvlam en bij drie andere met ontstekingsvlam uitgevoerd. Daarbij wordt de optische rookdichtheid fotometrisch geregistreerd. Eerst worden de waardeveranderingen van de gebundelde lichtstraal die een fotosensor raakt, gemeten in mV. (volle hoeveelheid licht = 100 %, duisternis = 0 %).
De vastgestelde waarden worden aan de hand van de volgende formule omgerekend en als rookdichtheid aangegeven:
Dsmax = 132 * log 10 / 100 Tmin

Beschrijving afbeelding: 1. optisch meetsysteem 2. drukregelaar 3. lichtweg 4. bovenste luchtinlaatopening (bovenste gedeelte) en onderste luchtuitlaatopening, verbonden met de afzuigventilator (onderaan) 5. kamer 6. kegelverwarmingstoestel 7. venster 8. ontstekingsvlambrander 9. testexemplaar in houder 10. weeginrichting 11. afsluitbare deur 12. optisch venster 13. lichtbron

DIN EN ISO 4589-2 beschrijft een test om aan de hand van een zuurstofindex (OI) de brandbaarheid van kunststoffen te beoordelen. Voor kunststoffen, zoals ze bijv. in de elektrische industrie worden gebruikt, moet voor de test een plaatgrootte met een lengte van 70 tot 150 mm, een breedte van 6,5 mm (±0,5 mm) en een dikte van 3 mm (±0,25 mm) worden gebruikt. Deze plaat wordt verticaal gemonteerd in een glazen cilinder, waar een mengsel van zuurstof en stikstof omheen stroomt, en aan de bovenrand aangestoken met een propaangasvlam. Vervolgens wordt het verbrandingsgedrag geanalyseerd bij verschillende zuurstofgehaltes van het rondstromende gas. Het ontsteken bestaat uit maximaal 30 seconden vlam gevolgd door een pauze van 5 seconden. De vlam wordt in stappen van 5 seconden zolang toegediend tot het testexemplaar op het oppervlak brandt. Het doel is een brandtijd van 180 s na het verwijderen van de propaangasvlam. Daarbij mag niet meer dan 50 mm, gemeten vanaf de aangestoken rand, tijdens het branden zijn gedruppeld of weggesmolten. Brandonderbrekingen ≤1 s zijn toegestaan. Als de vlam wordt gedoofd voordat de 180 s zijn verstreken, wordt de meting als "O" beoordeeld en wordt het zuurstofaandeel voor de volgende doorloop verhoogd. Als de vlam de 180 s heeft volgehouden, wordt de meting als "X" beoordeeld en wordt het zuurstofaandeel voor de volgende doorloop verlaagd. Bij verschillende testexemplaren wordt een nauwkeurigheid van de zuurstofgrenswaarde (waarbij het monster nog brandt) van ≤1 % tot "O"-doorlopen bepaald. Dit wordt later gebruikt om de zuurstofindex OI te berekenen.

1. Open haard
2. Schoorsteenklep
3. Testexemplaarhouder
4. Gaasafscherming
5. Diffusor en een mengkamer
6. Willekeurig temperatuurmeettoestel
7. Buis
8. Testexemplaar
9. Zuurstof-stikstofmengsel
10. Ontstekingsbron

EN 60695-11-10 wordt gebruikt om de brandbaarheid te beoordelen. Het materiaal wordt aangestoken met een gestandaardiseerde naaldbrander van 50 W. Daartoe moet van tevoren een rechthoekig, staafvormig testexemplaar worden gemaakt. Dit testexemplaar moet 125 mm x 13 mm zijn en naar keuze 0,1 tot 12 mm dik. Bij beproevingsmethode "A" zijn drie testexemplaren nodig. Bij de test wordt elke staaf horizontaal vastgezet en wordt als beoordeling de lineaire brandsnelheid gemeten. Daarvoor werden vooraf twee markeringen aangebracht op 25 mm en 100 mm. Afhankelijk van de wegbranding is de classificatie "HB // HB 40 // HB 75 // of bij overschrijden van de 100mm-markering met

v= L/t * 60s/min

v = brandsnelheid
L = lengte schade-omvang
t = tijd

Bij beproevingsmethode "B" zijn vijf testexemplaren nodig, waarbij elke staaf verticaal aan een uiteinde wordt opgehangen en het vrije uiteinde gedurende 10 s met een testvlam wordt aangestoken. Onder het testexemplaar bevindt zich een katoenen onderlaag. Daarna wordt de nabrandtijd t1 bepaald. Direct daarna wordt een tweede vlam gedurende nog eens 10 s toegepast met meting van de nabrandtijd t2 en de nagloeitijd t3. Daarbij mogen geen brandende druppels omlaagvallen en de onderlaag ontsteken. De gemeten waarden worden voor de beoordeling als volgt berekend:

tf = (t1,1 +t2,1)(t1,2 +t2,2)(t1,3 +t2,3)(t1,4 +t2,4)(t1,5 +t2,5)