مقدمة
البولي بروبيلين (PP) هو مادة بلاستيكية حرارية تتمتع بأهمية اقتصادية كبيرة وسهولة في المعالجة، وتوفر مجموعة واسعة من التطبيقات. ومع ذلك، وبسبب قابليتها العالية نسبيًّا للاشتعال، فإن استخدامها في التطبيقات التي تتطلب مستوى أعلى من السلامة من الحرائق محدود.
تتمثل إحدى الاستراتيجيات الراسخة لتحسين سلوك المادة تجاه الحريق في استخدام نسب عالية من الحشوات المعدنية. ففي حالة نشوب حريق، يمكن أن تعمل هذه الحشوات كحاجز حراري، مما يقلل من انبعاث الحرارة ويبطئ عملية التحلل، بينما تساهم في الوقت نفسه في تكوين هياكل متبقية مستقرة.
تتناول مذكرة التطبيق هذه أربع مواد من البولي بروبيلين (PP) عالية الحشو بنسبة حشو تبلغ 60٪. تُستخدم إحدى المواد كمرجع، بينما تمثل المواد 1 و2 و3 متغيرات معدلة بتركيبات مُعدلة.
تهدف الدراسة إلى القياس الكمي المنهجي للاختلافات في سلوك الحريق والدخان في أنظمة البولي بروبيلين هذه، وتقييم تأثير تعديلات المواد على سلوك الاشتعال، وإطلاق الحرارة، وتوليد الدخان، وفقدان الكتلة.
شروط القياس
أُجريت التجارب باستخدام المسعر الحراري المخروطي من شركة « TCC 918 » (الشكل 1) وفقًا للمعيار ISO 5660-1.
وُضعت العينات في وضع أفقي وتعرضت لكثافة تدفق حراري ثابتة قدرها 50 كيلوواط/م². وسُجلت المعلمات التالية أثناء القياس:
- الوقت المستغرق حتى الاشتعال (TOI)
- معدل إطلاق الحرارة الأقصى (HRRmax)
- إجمالي انبعاث الدخان (TSR)
- فقدان الكتلة مع مرور الوقت
يُوجز الجدول 1 معلمات الاختبار الرئيسية.
الجدول 1: شروط القياس
| حامل العينة | أفقي |
| تدفق الحرارة | 50كيلوواط/م² |
| معدل التدفق الاسمي | 24.0 لتر/ثانية |
| المسافة إلى السخان المخروطي | 25 مم |
| كتل العينات | المعيار: 48.8 غ المادة 1: 38.3 غرام المادة 2: 41.9 غرام المادة 3: 42.3 غرام |
يوضح الشكل 2 العينات الموجودة في حامل العينات قبل إجراء القياس.
شروط القياس
سلوك الاشتعال
اشتعلت جميع المواد التي خضعت للاختبار خلال فترة زمنية ضيقة تتراوح بين 21 و25 ثانية تقريبًا.
وتشير أوقات الاشتعال المتشابهة جدًّا هذه إلى أن التعديلات المختلفة التي أُجريت على المواد ليس لها تأثير يذكر، إن لم يكن معدومًا، على التسخين الحراري الأولي وسلوك التحلل لأنظمة البولي بروبيلين (PP) في ظل ظروف الاختبار المحددة.
إطلاق الحرارة
يُعدمعدل إطلاق الحرارة1 أحد المعلمات الرئيسية لتقييم شدة احتراق المواد. وتظهر منحنيات معدل إطلاق الحرارة (HRR) المقابلة في الشكل 3.
1معدل إطلاقالحرارة(HRR): معدل الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية ومساحة أثناء الاحتراق. ويُعتبر أحد أهم المعلمات لتقييم شدة الحريق، ويتم تحديده باستخدام مسعر مخروطي يعتمد على مبدأ استهلاك الأكسجين.
تُظهر المادة المرجعية ذروة أكثر وضوحًا بشكل ملحوظ في معدل إطلاق الحرارة. ويبلغ معدل إطلاق الحرارة الأقصى (HRRmax) ما يقارب ضعف معدل إطلاق الحرارة في أنواع البولي بروبيلين المعدلة.
وعلى العكس من ذلك، حققت المواد 1 و2 و3 قيمًا أقل بكثيرلمعدل إطلاق الحرارة الأقصى (HRRmax) وأظهرت نموًا أكثر اتساقًا للحريق بشكل عام. ويشير هذا إلى أن تركيبة المواد المعدلة تحد بشكل فعال من شدة الحريق في مرحلته المبكرة.
بعد بلوغ الذروة الأولية، تتقارب منحنيات إطلاق الحرارة للمواد المختلفة. وهذا يشير إلى أن المواد التي تمت دراستها تُظهر سلوك احتراق إجماليًّا مشابهًا، على الرغم من اختلاف تركيباتها.
تكوّن الدخان
تُلاحظ أهم الاختلافات بين أنواع المواد التي خضعت للاختبار في انبعاث الدخان، وهو معيار رئيسي يتعلق بالسلامة في حالة نشوب حريق (انظر الشكل 4).
تُظهر المادة القياسية أعلى معدل إجمالي لانبعاث الدخان. وفي المقابل، تُظهر جميع أنواع البولي بروبيلين المعدلة الثلاثة انخفاضًا ملحوظًا في إجمالي انبعاث الدخان طوال مدة الحريق.
تعد قيم TSR² للمواد 1 و2 و3 أقل بكثير من قيمة المادة المرجعية. وهذا يدل على أنه يمكن تقليل توليد الدخان عن طريق إجراء تعديلات محددة على تركيبة المادة.
تُظهر النتائج أنه يمكن تحسين تكوين الدخان من خلال إجراء تعديلات مناسبة على التركيبة دون التأثير بشكل كبير على سلوك الاشتعال لأنظمة البولي بروبيلين (PP) عالية الحشو.
2TSR(إجمالي انبعاث الدخان): إجمالي انبعاث الدخان خلال الاختبار؛ وهو معلمة أساسية للتقييم الكمي لإنتاج الدخان طوال مدة الحريق بأكملها.
فقدان الكتلة
يُعد الفقد النسبي في الكتلة مقياسًا للتحلل الحراري للمواد أثناء تعرضها للحريق، كما هو موضح في الشكل 5. ويُعد التعبير عن البيانات بنسبة مئوية وسيلة لتعويض تأثير الاختلافات في الكتل الأولية للعينات، كما يتيح المقارنة المباشرة بين منحنيات التحلل.
تُظهر المواد الثلاث المعدلة من البولي بروبيلين (PP) (المواد من 1 إلى 3) منحنيات فقدان الكتلة النسبي متشابهة جدًّا. ويبلغ الحد الأقصى لفقدان الكتلة لجميع الأنواع الثلاثة ما يقارب 8 إلى 9٪.
في المقابل، تُظهر المادة القياسية فقدانًا نسبيًا للكتلة أعلى بكثير يبلغ ما يقرب من 12٪. وبالتالي، في ظل ظروف الاختبار المحددة، تتعرض هذه المادة لتدهور حراري أكبر مقارنةً بأنواع البولي بروبيلين المعدلة.
ويتوافق انخفاض فقدان الكتلة النسبي للمواد المعدلة مع ارتفاع نسبة الحشو المعدني فيها، مما يقلل من محتوى البوليمر ويساهم في تكوين بقايا مستقرة.
وتشير المنحنيات المتشابهة للمواد من 1 إلى 3 إلى أن تعديل تركيبة المادة يؤدي إلى سلوك تحلل حراري متشابه في هذه المتغيرات.
حالة العينات بعد القياس
عند الانتهاء من القياسات، تظهر جميع المواد التي تم اختبارها تكوين بقايا ملحوظة، وهو أمر معتاد في أنظمة البولي بروبيلين (PP) عالية الحشو (انظر الشكل 6).
وترتبط الاختلافات في بنية السطح ودرجة التفحيم بالتغيرات التي لوحظت في المراحل المبكرة من الحريق.
ملخص
أظهرت دراسة مواد البولي بروبيلين (PP) عالية الحشو أن جميع الأنظمة التي خضعت للاختبار في ظل الشروط المختارة تتمتع بأوقات اشتعال متقاربة.
ومع ذلك، أظهرت المادة المرجعية معدل إطلاق حرارة أقصى (HRRmax) أعلى بشكل ملحوظ، يبلغ تقريبًا ضعف معدل أنواع البولي بروبيلين المعدلة، مما يشير إلى شدة حريق أعلى.
وتكون الاختلافات في توليد الدخان واضحة بشكل خاص. تُظهر جميع المواد المعدلة انخفاضًا ملحوظًا في إجمالي انبعاث الدخان (TSR) مقارنةً بالنظام المرجعي.
كما أن الفقد النسبي في الكتلة أقل بالنسبة لأنواع البولي بروبيلين المعدلة، حيث يتراوح بين 8 و9٪ تقريبًا، مقارنةً بالمادة القياسية التي يبلغ الفقد فيها حوالي 12٪، مما يشير إلى انخفاض التحلل الحراري للمادة.
تُظهر هذه النتائج أن التعديلات الموجهة لتركيبة المادة يمكن أن تقلل من شدة الحريق القصوى، وتوليد الدخان، وتدهور المواد في أنظمة البولي بروبيلين (PP) عالية الحشو.
تُعتبر المسعرة المخروطية إحدى أهم الطرق لتقييم سلوك المواد البوليمرية تجاه الحريق. ويرجع ذلك إلى أنها تقيس في آن واحد المعلمات الرئيسية مثل إطلاق الحرارة، وتوليد الدخان، وفقدان الكتلة في ظل ظروف حريق محددة.
يوفر معهد أبحاث المواد ( NETZSCH ) TCC 918 وسيلة موثوقة وقابلة للتكرار لتوصيف هذه الاختلافات المتعلقة بالمواد.