الجرافيت القابل للتمدد - حل مستدام لمثبطات اللهب في البلاستيك

مقدمة

استُخدمت مثبطات اللهب (FRs) لعقود من الزمن لتقليل أو حتى القضاء على مخاطر الحرائق في المكونات البلاستيكية في تطبيقات مثل الإلكترونيات أو صناعات السيارات. في السنوات الأولى، كانت مثبطات اللهب المهلجنة هي المعيار السائد، ولكن ظهرت خيارات غير مهلجنة أكثر فأكثر في السوق. ويرجع ذلك جزئيًا إلى المخاطر الإضافية لاستنشاق الأبخرة السامة عند احتراق المواد المهلجنة المطعمة بالفلورايد الهالوجينية، ولكن أيضًا بسبب التغيرات في اللوائح التنظيمية وتفضيلات المستهلكين عندما يتعلق الأمر بالاستدامة. المبادرة الأكثر أهمية في الوقت الحالي هي الصفقة الخضراء للاتحاد الأوروبي، والتي ستؤدي إلى فرص قوية، وربما التزامات بالانتقال إلى استخدام مصادر الطاقة المتجددة الخالية من الهالوجين. وسيكون هذا الأمر أكثر احتمالاً عندما تتم المراجعة المتوقعة لاتفاقية RoHS (تقييد المواد الخطرة).

هناك مجموعة متنوعة من الحلول المختلفة والعديد من البوليمرات المقاومة للصدأ المتاحة في السوق. أحدها هو الجرافيت القابل للتمدد، والذي يربطه معظمهم فقط بزيادة التوصيل الحراري والكهربائي. ومع ذلك، يمكن أيضاً استخدام خصائصه الفريدة لزيادة السلامة من الحرائق. ولتحقيق ذلك، تتم معالجة رقائق كبيرة من الجرافيت الطبيعي بالأحماض والعوامل المؤكسدة. ونظرًا للروابط الضعيفة نسبيًا (قوى فان دير فال) بين الطبقات مقارنةً بتلك الموجودة داخل الطبقة، فإن المسافة الناتجة بين الطبقات تسمح للأملاح القابلة للتمدد بتكوين طبقة وسيطة - وهي عملية تسمى الإقحام. تتمدد هذه الأملاح وتدفع طبقات الجرافيت المنفردة إلى التمدد وتباعد بين طبقات الجرافيت عند تعرضها للحرارة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الحجم. وبذلك، يجمع الجرافيت القابل للتمدد بين طريقتين للسلامة من الحرائق في آن واحد. أولاً، يتم تقليل قابلية المكون للاشتعال؛ وثانيًا، يشكل الجرافيت القابل للتمدد طبقة منتفخة واقية في حالة نشوب حريق. ولذلك، فهي تنتمي إلى فئة المواد المقاومة للحريق المشكِّلة للحاجز.

واعتماداً على نوع البوليمر، يحدث التمدد الحجمي عند درجات حرارة مختلفة، مما يحد من مجموعة البوليمرات التي يمكن استخدامها. أحد البوليمرات النموذجية التي تُركب فيها البوليمرات المقاومة للحريق هي البولي إيثيلين (PE)، والتي تستخدم في تغليف الأسلاك والكابلات. في تطبيق البثق هذا، يجب التحكم في لزوجة الذوبان بشكل جيد لتحقيق سماكة متجانسة.

* تنتفخ الطلاءات المنتفخة عند تعرضها للحرارة وتشكل رغوة عازلة تحمي الركيزة. وعلاوة على ذلك، يمكن تحقيق تأثير التبريد من خلال التفاعلات الماصة للحرارة.

1) المسعر المخروطي TCC 918

ولذلك، فإن كمية مثبطات اللهب أمر بالغ الأهمية، لأنها لا تؤثر فقط على مستويات القابلية للاشتعال القابلة للتحقيق، ولكن أيضًا على قابلية المعالجة.

ولتسليط الضوء على تأثير الكميات المختلفة من الجرافيت القابل للتمدد كمثبط للهب على سلوك النار في البولي إيثيلين البولي إيثيلين في النار، تم تشكيل عينات من المركبات المختلفة في قوالب حقن في ألواح مقاس 100 × 100 × 4 مم3 واختبارها في TCC 918 (انظر الشكل 1). تسمح هذه الأداة بتحديد إطلاق الحرارة وفقدان الكتلة وكثافة وتكوين غاز الدخان.

كيف يتم إجراء القياس

قبل البدء في الاختبارات، تمت معايرة نظام تحليل الغاز (Siemens Oxymat/Ultramat) بغازات المعايرة وتم فحص عامل C باستخدام موقد الميثان مع إطلاق حرارة محددة. تم تجهيز محلل الغاز المستخدم بخيار O2 وخيار ثاني أكسيد الكربون. بعد تسخين السخان المخروطي، أُغلق المصراع وتم تركيب حامل العينة الأفقي مع العينة على اللوحة الأرضية. بعد ذلك، أزال النظام الغالق تلقائيًا لبدء القياس. تم إشعال الغازات المتبخرة بواسطة نظام الإشعال الأوتوماتيكي. تم تلخيص ظروف القياس في الجدول 1.

كيف يرتبط إطلاق الحرارة وكثافة الدخان وفقدان الكتلة ؟

التأثير الأول الذي يمكن ملاحظته هو إطلاق الحرارة؛ انظر الشكل 2. في حين أن إطلاق الحرارة يبدأ بين دقيقتين و3 دقائق بعد بدء الاختبار لجميع العينات، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للبولي إيثيلين بدون أي مثبطات لهب (الخط الأزرق)، يزداد إطلاق الحرارة ويصل إلى الحد الأقصى عند حوالي 5 دقائق. وبالمقارنة، تُظهر كلتا العينتين المزودتين بالجرافيت القابل للتمدد إطلاقًا حراريًا أقل بكثير، ويكون التأثير أقوى مع وجود كمية أكبر من الجرافيت القابل للتمدد (الخط الأخضر). يشير هذا إلى خصائص الحاجز الحراري للجرافيت بمجرد تكوين الطبقة المنتفخة.


الجدول 1: شروط القياس

عينة من العينة

أفقي

التدفق الحراري

50 كيلوواط/م²

معدل التدفق الاسمي للقناة

24.0 لتر/ثانية

2) إطلاق الحرارة المقاسة في TCC 918 إذا كانت عينة البولي إيثيلين البولي إيثيلين الأنيق (الأزرق) وكذلك البولي إيثيلين البولي إيثيلين المملوء بنسبة 10٪ بالوزن (الأحمر) و20٪ بالوزن (الأخضر) مع الجرافيت القابل للتمدد (المصدر: BPI)

هناك تحليل مهم آخر هو تطور الدخان أثناء الحريق. يتم قياس ذلك من خلال الكشف عن التغير في انتقال العدوى، حيث يرتبط انخفاض انتقال العدوى بزيادة كثافة الدخان. في الشكل 3، تتم مقارنة قياسات العينات الثلاث. في جميع الحالات، يبدأ الإرسال في الانخفاض بعد حوالي دقيقتين من وقت الاختبار. يمكن ملاحظة أنه في حالة البولي إيثيلين الأنيق، ينخفض الإرسال بنسبة 30% تقريبًا. أما في كلتا العينتين المزودتين ب FR، يكون الانخفاض أقل بكثير؛ حيث يبلغ فقدان الإرسال 20% فقط مع الجرافيت القابل للتوسيع بنسبة 10٪ بالوزن و10٪ مع الكمية الأعلى من الجرافيت القابل للتوسيع بنسبة 20٪ بالوزن.

يصاحب احتراق العينة وما ينتج عنه من إطلاق الحرارة انخفاض في وزن العينات. كما أن النتائج المقاسة - انظر الشكل 4 - تتفق بشكل جيد مع إطلاق الحرارة المقاسة والانتقال. لوحظ أعلى فقدان للكتلة في عينة البولي إيثيلين الأنيق تليها العينة التي تحتوي على 10٪ من الجرافيت القابل للتمدد بالوزن. تم قياس أقل فقد للكتلة للعينة التي تحتوي على أعلى كمية من الجرافيت القابل للتمدد بنسبة 20% من الجرافيت القابل للتمدد.

3) خاصية انتقال الدخان من عينة بولي إيثيلين البولي إيثيلين الأنيق (الأزرق) وكذلك البولي إيثيلين المملوء بنسبة 10٪ بالوزن (الأحمر) و20٪ بالوزن (الأخضر) من الجرافيت القابل للتمدد (المصدر: BPI)
4) الفقد الكتلي لعينة بولي إيثيلين البولي إيثيلين الأنيق (الأزرق) وكذلك بولي إيثيلين البولي إيثيلين المملوء بنسبة 10 بالوزن (الأحمر) و20 بالوزن (الأخضر) من الجرافيت القابل للتمدد
5) رسم تخطيطي لتأثير مواد الحشو مثل الجرافيت القابل للتمدد كمثبط للهب على لزوجة بوليمر البولي إيثيلين البولي إيثيلين على نطاق واسع من معدلات القص؛ حيث إن الزيادة في درجة الحرارة لها تأثير معاكس لإضافة مواد الحشو

في حين يمكن اكتشاف بداية فقدان الكتلة بعد دقيقتين تقريبًا، يصبح التغير في الوزن واضحًا بقوة في البداية عندما يلاحظ الانخفاض الكبير في انتقال العدوى وزيادة انتقال الحرارة.

ما التأثيرات الأخرى التي يمكن أن تحدثها مثبطات اللهب؟

في حين أن الكميات الأعلى من FR لها تأثير متناقص على إطلاق الحرارة وفقدان الكتلة وزيادة خاصية النقل، إلا أنه يجب دراسة التغير في اللزوجة وتقييم تأثيرها على سلوك المعالجة. تمامًا مثل معظم المواد المضافة (باستثناء معززات التدفق)، تزيد FRs من لزوجة الذوبان عبر نطاق واسع من معدلات القص؛ انظر الشكل 5. ولا يمكن موازنة ذلك إلا بدرجة معينة عن طريق زيادة درجة حرارة البثق. يمكن دراسة تأثير أي كمية معينة من FR في مقياس الانسيابية الشعرية كدالة لمعدل القص.

الخاتمة

تُظهر المقارنة البصرية بين العينات المختلفة بعد الاختبار أن البولي إيثيلين غير المعالج يُظهر المزيد من الشقوق والثقوب بشكل ملحوظ، مما يوفر مسارًا لانتشار الأكسجين. يمكن أيضًا ملاحظة أن انتقال الحرارة والكتلة محدود، حتى مع استمرار زيادة الجرافيت القابل للتمدد. وبالتالي، يمكن استنتاج أن مثبطات الحريق في الجرافيت القابل للتمدد تنتج عن تأثير فيزيائي أكثر من تأثير كيميائي.

تُظهر الدراسة أن الجرافيت القابل للتمدد هو مثبط مناسب للهب في البولي إيثيلين البولي إيثيلين وأنه من الممكن زيادة التأثير باستخدام كميات أكبر من مثبطات اللهب في نطاق مستويات محتوى المثبطات القابلة للتمدد التي تم بحثها هنا.