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Qualitätsprüfung von Isolierstoffen

Unsere Isoliergehäuse bestehen aus verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen. Anwendungsorientiert wird der optimale Kunststoff anhand seiner elektrischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Alle von Phoenix Contact eingesetzten Kunststoffe sind RoHS-konform. Alle Kunststoffe, die im Hause Phoenix Contact zum Einsatz kommen, sind bei UL (Underwriters Laboratories Inc.) in den USA gelistet.

Qualitätsmerkmale der Isolierstoffe

Thermoplast
Der größte Teil unserer Isoliergehäuse besteht aus thermoplastischen Kunststoffen, die sich grob in amorphe und teilkristalline Werkstoffe unterteilen lassen. Thermoplaste werden wirtschaftlich und umweltbewusst im Spritzgießverfahren verarbeitet und lassen sich gut recyceln und wiederverwenden. Eine Vielzahl unterschiedlich modifizierter Materialien deckt die hohen Anforderungen elektrischer und elektronischer Module, Geräte und Anlagen im Hinblick auf die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften ab. Thermoplast ist halogenfrei; d. h., es entstehen keine Verbrennungsdämpfe, die allein oder zusammen mit Luftfeuchtigkeit zu korrosiven Niederschlägen führen. Weiterhin sind keine Silikonverbindungen, Formaldehyd, PCB und PCT enthalten.

Verhalten von Kunststoffen bei Temperatureinwirkung (Gebrauchstemperaturen)
Bei langandauernder Wärmeeinwirkung auf Kunststoffe tritt immer eine sogenannte thermische Alterung auf, die eine Änderung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften hervorruft. Äußere Einwirkungen z. B. Strahlung, zusätzliche mechanische, chemische oder elektrische Beanspruchungen verstärken diesen Effekt. Durch spezielle Prüfungen an Probekörpern können Kennzahlen ermittelt werden, die einen guten Vergleich von Kunststoffen untereinander zulassen. Eine Übertragbarkeit dieser Kennwerte zur Beurteilung von Kunststoff-Formteilen ist allerdings nur bedingt möglich und kann dem Konstrukteur nur grober Anhaltswert für die Auswahl eines Kunststoffwerkstoffes sein. Die IEC 60947-7-1/EN 60947-7-1 legt für Reihenklemmen bei Nennbelastung eine zulässige Temperaturerhöhung von 45 K fest. Phoenix Contact-Klemmen erfüllen diese Anforderung.

Brennverhalten von Kunststoffen (UL 94)
Die Brennbarkeitsprüfungen für Kunststoffe wurden von den Underwriters Laboratories (USA) in der Vorschrift UL 94 definiert. Sie gilt für alle Anwendungsbereiche, insbesondere auch in der Elektrotechnik. In einem Horizontal- bzw. Vertikaltest wird das Brennverhalten des Kunststoffmaterials im Prüflabor unter Einwirkung einer offenen Flamme getestet. Die Bewertungsstufen sind mit steigendem flammwidrigen Verhalten in HB, V1, V2, V0 eingeteilt. Die Prüfergebnisse sind in den sogenannten „Yellow Cards“ aufgeführt und erscheinen jährlich im Recognized Component Directory.

Thermoplast: Polyamid Unverstärkt, PA
Wir verwenden den modernen, teilkristallinen Isolierstoff Polyamid, der aus den Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik nicht mehr wegzudenken ist. Er nimmt seit langer Zeit eine dominante Stellung ein und ist von den einschlägigen Approbationsstellen wie CSA, KEMA, PTB, SEV, UL, VDE u.a. zugelassen. Polyamid hat auch bei hohen Gebrauchstemperaturen sehr gute elektrische, mechanische, chemische und sonstige Eigenschaftswerte. Durch Wärmealterungsstabilisierung sind kurzzeitig Spitzentemperaturen bis ca. 200 °C zulässig. Der Schmelzpunkt liegt je nach Typ (PA 4.6, 6.6, 6.10 etc.) im Bereich von 215 °C bis 295 °C. Polyamid nimmt aus der Umgebung Feuchtigkeit auf, im Mittel 2,8 %. Es handelt sich jedoch nicht um eingelagertes Kristallwasser, sondern um chemisch gebundene H2O-Gruppen im Molekülgefüge. Dadurch wird der Kunststoff elastisch und bruchsicher, auch bei Temperaturen bis - 40 °C. Nach UL 94 erreicht PA die Brennbarkeitsklasse V2 bis V0.

Thermoplast: Polyamid Glasfaserverstärkt, PA-F
Faserverstärkte Polyamide zeichnen sich durch große Steifigkeit und Härte sowie gegenüber unverstärktem Material durch noch höhere Gebrauchstemperaturen aus. Dadurch sind sie auch für den Einsatz z. B. im Bereich des Überspannungsschutzes geeignet. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist geringer als bei unverstärktem Polyamid. Im übrigen stimmen die Eigenschaftsbilder weitgehend überein. Nach UL 94 erreichen faserverstärkte Polyamide die Brennbarkeitsklasse HB bis V0, wobei V0-Materialien meistens nur in schwarzer Einfärbung erhältlich sind.

Thermoplast: ABS
Die thermoplastische Formmasse ABS wird bei uns für Produkte eingesetzt, die neben einer hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit auch gute Schlag- und Kerbschlageigenschaften besitzen müssen. Die Produkte zeichnen sich durch Chemikalienund Spannungsrissbeständigkeit bei besonderer Oberflächengüte und Härte aus. Die charakteristischen, thermischen Eigenschaftswerte weisen gute Formbeständigkeit sowohl bei höheren als auch bei tiefen Temperaturen aus. Das Aufbringen metallischer Oberflächensysteme, z. B. Nickel, ist bei Produkten aus ABS durchaus möglich. Die Brennbarkeitsklasse der verwendeten Formmasse liegt nach UL 94 bei HB bis V0.

Thermoplast: Polyvinylchlorid PVC
PVC ist beständig gegen Salzlösungen, verdünnten und konzentrierten Laugen sowie den meisten verdünnten und konzentrierten Säuren bis auf oleumhaltige Schwefelsäure, und konzentrierte Salpetersäure. PVC ist ohne Brandschutzausrüstung schwer entflammbar (B1 nach DIN 4102 bis UL 94 V0).

EigenschaftenEinheit/
Stufe
Polyamid
PA
Polyamid
PA
Polyamid
PA-GF
Polyamid
PA-GF
Polycarbonat
PC-GF
Dauergebrauchstemperatur, DIN IEC 60216[°C]< 130< 125120120130
Temperatureinsatz (ohne mechanische Belastung)[°C]- 60- 60- 60- 60- 60
Durchschlagfestigkeit, IEC 60243-1/ DIN VDE 0303-21[kV/cm]600600550475175
Kriechstromfestigkeit, IEC 60112 / DIN VDE 0303-1CTI...gutgutgutgutgut
Tropen- und Termitenfestigkeit      
Spezifischer Durchgangswiderstand
IEC 60093 / VDE 0303-30, IEC 60167 / VDE 0303-31
[Ω cm]1012101210121012> 1014
Oberflächenwiderstand
IEC 60093 / VDE 0303-30, IEC 60167 / VDE 0303-31
[W]1010101010121012> 1014
Brennbarkeitsklasse nach UL 94 V0V2V0HBV0
EigenschaftenEinheit/
Stufe
Polyamid
PA
Polyamid
PA
Polyamid
PA-GF
Polyamid
PA-GF
Polycarbonat
PC-GF
Dauergebrauchstemperatur, DIN IEC 60216[°C]< 130< 125120120130
Temperatureinsatz (ohne mechanische Belastung)[°C]- 60- 60- 60- 60- 60
Durchschlagfestigkeit, IEC 60243-1/ DIN VDE 0303-21[kV/cm]600600550475175
Kriechstromfestigkeit, IEC 60112 / DIN VDE 0303-1CTI...gutgutgutgutgut
Tropen- und Termitenfestigkeit      
Spezifischer Durchgangswiderstand
IEC 60093 / VDE 0303-30, IEC 60167 / VDE 0303-31
[Ω cm]1012101210121012> 1014
Oberflächenwiderstand
IEC 60093 / VDE 0303-30, IEC 60167 / VDE 0303-31
[W]1010101010121012> 1014
Brennbarkeitsklasse nach UL 94 V0V2V0HBV0
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Isolierstoffeigenschaften - IEC 60210-1 / UL 746 B

In den folgenden Tests wird eine erhöhte Belastung der Reihenklemme über einen längeren Zeitraum simuliert. Das Verhalten von Kunststoffen bei konstant höheren Temperaturen wird in Bezug auf seine Zugfestigkeit und auf die Isolationseigenschaft hin beschrieben. Die IEC 60216 und die UL 746 B geben einen Temperaturindex an, der eine Aussage über die Lebensdauer von Kunststoffen unter Wärmebelastung zulässt. Charakteristische Werte für diese beiden Eigenschaften werden

  • mechanisch nach IEC 60216 als TI-Wert
  • elektrisch nach UL 746 B als RTI-Wert

angegeben.

IEC 60216 – TI-Wert
Die Zugfestigkeit wird über 5.000 h gemessen und das Ergebnis auf 20.000 h extrapoliert. Dabei wird die Temperatur festgehalten bei der nach besagten 20.000 h die Zugfestigkeit auf die Hälfte gesunken ist.
UL 746 B – RTI-Wert
Der RTI-Wert gibt die höchste Gebrauchstemperatur an, bevor unter bestimmten Versuchsbedingungen ein elektrischer Durchschlag entsteht. Die von Phoenix Contact eingesetzten Polyamide sind wie folgt eingestuft:

 UL 94 V2UL 94 V0
TI105 °C125 °C
RTI125 °C130 °C

Für den Einsatz bei höheren Temperaturen sind z. B. Klemmen aus Keramik erhältlich.

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Oberflächenbrennbarkeit - ASTM E 162

Oberflächenbrennbarkeitsprüfung  

① Heizstrahler ② Flamme ③ Kunststoffprobe

Die Ausbreitung eines Brandes unter Wärmeeinwirkung wird in oben genannter Norm geprüft und bewertet. Zur Bewertung der Oberflächenbrennbarkeit von Kunststoffen wird nach ASTM E 162 ein „Flame-Spread-Index“ ermittelt, der eine Aussage über die Flammausbreitung unter vorgegebenen Versuchsbedingungen darstellt.

Hierzu wird eine Probe (152 mm x 457 mm x maximal 25,4 mm) in einem Winkel von 30° mit einer Wärmequelle (815 °C) bestrahlt und am oberen Ende mit einer offenen Flamme entzündet. Während der 15-minütigen Prüfungsdauer wird die Zeit bestimmt, in der die Flammfront zwei 76 mm auseinander liegende Messpunkte erreicht. Aus dem Produkt dieser Flammenausbreitungszeit und einem errechneten Wärmeentwicklungsfaktor ergibt sich der „Flame-Spread-Index“. Im amerikanischen Schienenverkehrswesen beträgt der maximale Grenzwert 35. Weiterhin wird bei der Prüfung das Abtropfverhalten des Kunststoffs beobachtet und bewertet. Die Reihenklemmen von Phoenix Contact erreichen einen Flame-Spread-Index von 5 und tropfen nicht brennend ab. Somit liegen die Reihenklemmen weit unter den zulässigen Maximalwerten der „Federal Railroad Administration (FRA)“ des U.S. Department of Transportation.

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Rauchgasentwicklung - ASTM E 662

Rauchentwicklung in der Rauchdichtekammer  

① Heizstrahler ② Flamme ③ Kunststoffprobe

In der Norm ASTM E 662 ist eine Verfahrensweise vorgegeben zur Bewertung der spezifischen optischen Dichte des Rauchs (Rauchtrübung) während eines offenen Brandes bzw. eines Schwelbrands. Dazu wird die prozentuale Lichtdurchlässigkeit im Verhältnis zum Brandkammervolumen betrachtet. Getestet wird eine Probe (76 mm x 76 mm x maximal 25 mm) in einer durch die NBS (National Bureau of Standards) definierten Rauchdichtekammer (siehe Abbildung). Der Prüfling wird mit einer Wärme von 2,5 W/cm2 bestrahlt. Anschließend werden über 20 Minuten die folgenden Prozesse simuliert:

  1. Verbrennung bei offener Flamme
  2. Schwelbrand, Vermeidung einer offenen Flamme

Es gibt spezielle Grenzwerte der optischen Rauchdichte für beide Prozesse, die nach 1,5 und 4 Minuten aufgenommen werden.

a. Spezifische optische Rauchdichte (Ds1,5) – Grenzwert 100
b. Spezifische optische Rauchdichte (Ds4) – Grenzwert 200
c. Maximale Rauchdichte (Dm) während der 20 Minuten.

Die eingesetzten Polyamide für Reihenklemmen von Phoenix Contact erfüllen nach ASTM E 662 alle Anforderungen der „Federal Railroad Administration (FRA)“ des U.S. Department of Transportation.

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Brandverhalten - NF F 16-101

Die NF F 16-101 beschreibt anhand von zwei Indizes (I und F) das Brandverhalten von Kunststoffen. Folgende Tests werden dabei durchlaufen: Glühdrahtprüfung, Sauerstoffindex, Rauchgasopazität, Rauchgastoxikologie.

IndexSauerstoffindexGlühdraht
I 070 %960 °C, keine Flammbildung
I 145 %960 °C, keine Flammbildung
I 232 %960 °C, keine Flammbildung
I 328 %850 °C, keine Flammbildung
I 420 %850 °C, keine Flammbildung

1. Bestimmung des Index I (0 - 4) Ermittelt wird der Index I anhand der folgenden Tabelle aus den Ergebnissen der Glühdrahtprüfung und des Sauerstoffindex. Hierbei entspricht I 0 der besten und I 4 der schlechtesten Klassifizierung.
2. Bestimmung des Rauchindex F (0 - 5) Grundlage sind die Rauchgasopazität und die Rauchgastoxizität. Folgende Stoffkonzentrationen in [ppm] gelten als kritisch:

Kohlenmonoxid (CO) – 1750
Kohlendioxid (CO2) – 90.000
Salzsäure (HCl) – 150
Bromwasserstoffsäure (HBr) – 170
Blausäure (HCN) – 55
Flusssäure (HF) – 17
Schwefeldioxid (SO2) – 260

Anhand der Prüfergebnisse wird ein Rauchindex notiert, der je nach Wert den Klassen F 0 - F 5 zuzuordnen ist. Hierbei entspricht F 0 der besten, der Wert F 5 der schlechtesten Klassifizierung. Die Reihenklemmen von Phoenix Contact erreichen die Klassifizierung I 2/F 2.

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Rauchgastoxizität - SMP 800-C

Die SMP 800-C beschreibt maximal zulässige Werte von giftigen Rauchgasen während des Verbrennens eines Kunststoffs. In dieser Norm angegeben sind, im Vergleich zur BSS 7239 (Boeing Standard), genauere Messverfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von toxischen Rauchgasen die während des vollständigen Verbrennens des Prüflings entstehen. Die Rauchgase dieser Messungen werden der NBS-Prüfkammer der ASTM E 662-Prüfung entnommen. Auch hier gilt dasselbe Zeitschema wie bei der ASTM E 662. Die Datenaufzeichnung erfolgt über 20 Minuten. SMP 800-C Grenzwerte toxischer Rauchgase in [ppm]:

Kohlenmonoxid (CO) – 3500
Kohlendioxid (CO2) – 90.000
Stickoxide (NOX) – 100
Schwefeldioxid (SO2) – 100
Salzsäure (HCl) – 500
Bromwasserstoffsäure (HBr) – 100
Flusssäure (HF) – 100
Blausäure (HCN) – 100

Die von Phoenix Contact eingesetzten Polyamide unterschreiten die kritischen Konzentrationen um ein Vielfaches.

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Halogenfreier Flammschutz - DIN EN ISO 1043-4

Farbvarianten  

Farbvarianten

Halogene sind die chemischen Elemente Fluor, Chlor, Brom und Jod. Eine Eigenschaft der Halogenverbindungen bezieht sich auf die Reduzierung der Brennbarkeit bei Einsatz in Kunststoffen. Bei brandschutztechnischen Untersuchungen ist der Zusammenhang von freigesetzten Giftgasen und Halogenen festgestellt worden. Reihenklemmen des CLIPLINE complete-System sind aus Polyamid 6.6 (PA 6.6) mit der Brandschutzklassifizierung UL 94 V0 gefertigt. Statt halogenhaltiger Flammschutzmittel werden Melamincyanurate eingesetzt. Phoenix Contact-Reihenklemmen sind somit durchgehend und ausnahmslos halogenfrei.

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Kriechwegbildung (CTI) - DIN EN 60112

Kriechwegbildung am Probekörper  

Kriechwegbildung

Feuchtigkeit und Schmutz begünstigen die Kriechwegbildung auf der Kunststoffoberfläche. Kriechwegbildung ist die Ausbildung leitfähiger Verbindungen zwischen benachbarten Potentialen. Berücksichtigung findet die Abhängigkeit der Potenziale zu ihrem Spannungsunterschied unter elektrolytischen Einflüssen. Der CTI-Wert eines Kunststoffs zeigt an, inwieweit diese Kriechwegbildung behindert wird. Auf einem Probekörper 20 mm x 20 mm x 3 mm in 4 mm Abstand werden zwei Platinelektroden eingerichtet. Eine Prüfspannung nach Normvorgabe wird an die beiden Elektroden angelegt. Anschließend beträufelt eine Vorrichtung mit Prüflösung die Elektroden alle 30 Sekunden mit einem Tropfen. Der Versuch wertet den maximalen Spannungswert aus, bei dem 50 Tropfen ohne Kurzschlussstrom > 0,5 A durchgelaufen sind. Die von Phoenix Contact verwendeten Kunststoffe sind mit einem CTI-Wert von 600 in die höchste Prüfspannungskategorie eingestuft.

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Glühdrahtprüfung - IEC 60695-2-11

Glühdrahtprüfung an einer Reihenklemme  

Glühdrahtprüfung

Bei Überlastung können sich stromführende Metallteile der Reihenklemme oder angeschlossene Leiter sehr stark erwärmen. Diese zusätzliche Wärme wirkt sich auch auf das Kunststoffgehäuse aus. Bei elektrotechnischen Bauteilen simuliert die Glühdrahtprüfung diese Gefahrenquelle. Ein Glühdraht wird auf eine bestimmte Temperatur 550 °C, 650 °C, 750 °C, 850 °C oder 960 °C erhitzt. Wie in der Abbildung dargestellt wird dieser Glühdraht dann im rechten Winkel auf die dünnste Gehäusestelle des Prüflings gedrückt. Die Kraft beträgt 1 N. Die Prüfung gilt als bestanden, – wenn während der Prüfung keine Flamme oder kein Glühvorgang entsteht – wenn Flammen bzw. Glühvorgänge innerhalb von 30 Sekunden nach dem Entfernen des Glühdrahts verlöschen – wenn die unter dem Glühdraht liegende Auflage aus Seidenpapier sich nicht durch herabfallende, brennende Tropfen entzündet. Die als Gehäusewerkstoff eingesetzten Polyamide bei Phoenix Contact erfüllen durchgängig die Anforderung der Glühdrahtprüfung bei 960 °C (höchste Stufe).

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Nadelflammentest - IEC 60947-7-1/-2

Nadelflammentest an einer Klemme  

Nadelflammentest

Für den Einsatz der Reihenklemmen ist das Brandverhalten bei direktem Kontakt mit einer Zündquelle ein wichtiges Kriterium. Solche flammenden Zündquellen können z. B. Lichtbögen an einer Kriechstrecke sein. Klemmen dürfen Brände nicht begünstigen oder beschleunigen, die Kunststoffe müssen selbstverlöschend reagieren. Mit dieser Brandprüfung wird das Verhalten der Bauteile gegen eine externe Zündquelle simuliert, die von außen direkt auf die Bauteile einwirkt. Im Test wird eine offene Butangasflamme, unter einem Winkel von 45°, über 10 Sekunden an eine Kante oder Fläche des Prüflings angelegt (siehe Abbildung). Anschließend wird das Verhalten des Prüflings ohne Zündquelle beobachtet. Die Prüfung gilt als bestanden:

  • wenn Flammen bzw. Glühvorgänge innerhalb von 30 Sekunden nach dem Entfernen der Flamme verlöschen,
  • wenn die unter dem Prüfling liegende Auflage aus Seidenpapier sich nicht durch herabfallende, brennende Tropfen entzündet.

Alle Reihenklemmen von Phoenix Contact bestehen aufgrund der verwendeten hochwertigen Kunststoffe und aufgrund des konstruktiven Aufbaus die Prüfung mit der Nadelflamme.

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Heizwert des Kunststoffes - DIN 51900-2/ASTM E 1354

Aufgrund der Erfahrungen bei Brandkatastrophen werden technische Anlagen zunehmend auch nach der Wärmeabgabemenge im Brandfall eingestuft. Hintergrund ist das Begrenzen der Wärmeentwicklung in Bezug auf die Fläche.

Brandlast

Brandlast ist definiert als die bei einem Brand freigesetzte Energiemenge auf einer bestimmten Fläche. Der Wert für die Brandlast wird in MJ/m2 ausgedrückt. Je höher der Brennwert und das Vorkommen eines Stoffs, desto größer ist die bei einem Brand freigesetzte Energiemenge. Die Brennwerte von Polyamiden sind relativ hoch. Daher werden zunehmend auch die Brennwerte von Reihenklemmen in die Brandlastermittlung mit einbezogen. Brennwerte der bei Phoenix Contact verwendeten Kunststoffe nach:

DIN 51900-2: ASTM E 1354: 
Polyamid 66 V2ca. 30 MJ/kgPolyamid 66 V2ca. 22 MJ/kg
Polyamid 66 V0ca. 32 MJ/kgPolyamid 66 V0ca. 24 MJ/kg
  Zum Vergleich: Heizölca. 44 MJ/kg

Zur Berechnung der Brandlast einzelner Bauteile wird der Brennwert des jeweiligen Polyamids mit dem Teilegewicht multipliziert.

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Brennbarkeitsklassifizierung - UL 94

Prüfaufbau nach UL 94  

Prüfaufbau nach UL 94

Die UL 94 beschreibt Brennbarkeitsprüfungen, die für die Elektrotechnik besondere Bedeutung erlangt haben. Im Mittelpunkt steht dabei das Brandverhalten. Die Einstufung erfolgt in UL 94 HB (Horizontal Burn) oder UL 94 V (Vertical Burn). Aus dem Prüfaufbau ergibt sich, dass die 94 V0/1/2-Einstufungen höherwertiger als die 94 HB-Einstufung sind.

UL 94 V0/1/2

Nach einer Konditionierung wird der Prüfstab vertikal eingespannt und mehrmals je 10 Sekunden beflammt. Zwischen den Beflammungen wird die Zeit bis zum Erlöschen des Prüfstabs gemessen. Anschließend werden die Nachbrennzeiten und das Abtropfverhalten ausgewertet. Der für Phoenix Contact-Reihenklemmen verwendete Kunststoff erfüllt die höherwertigen Kriterien für eine Einstufung als V0-Material.

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EinstufungUL 94 V0UL 94 V1UL 94 V2
Brenndauer nach jeder Beflammung< 10 s< 30 s< 30 s
Gesamtbrenndauer nach zehn Beflammungen< 50 s< 250 s< 250 s
Glühdauer nach der zweiten Beflammung< 30 s< 60 s< 60 s
Vollständiger AbbrandNeinNeinNein
Entzündung der Watte unter der ProbeNeinNeinNein

PHOENIX CONTACT GmbH

Ada-Christen-Gasse 4
1100 Wien
(+43) 01 / 680 76

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