Въведение
Полипропиленът (PP) е термопласт, който е както икономически значим, така и лесен за обработка, като предлага широк спектър от приложения. Въпреки това, поради относително високата му запалимост, употребата му в приложения, изискващи повишена пожарна безопасност, е ограничена.
Добре утвърдена стратегия за подобряване на пожароустойчивостта е използването на висок дял минерални пълнители. В случай на пожар те могат да действат като термична бариера, като намаляват отделянето на топлина и забавят процеса на разлагане, като същевременно допринасят за образуването на стабилни остатъчни структури.
Настоящата приложна бележка разглежда четири материала от PP с високо съдържание на пълнител – 60%. Един от материалите служи като еталон, докато материали 1, 2 и 3 представляват модифицирани варианти с коригирани състави.
Целта на проучването е систематично да се количествено определят разликите в пожарното и димовото поведение на тези полипропиленови системи и да се оцени влиянието на модификациите на материала върху поведението при възпламеняване, отделянето на топлина, образуването на дим и загубата на маса.
Условия за измерване
Изследванията бяха проведени с конусен калориметър „ TCC 918 “ (фигура 1) в съответствие с ISO 5660-1.
Пробите бяха разположени хоризонтално и изложени на постоянна плътност на топлинния поток от 50 kW/m². По време на измерването бяха регистрирани следните параметри:
- Време до възпламеняване (TOI)
- Максимална скорост на отделяне на топлина (HRRmax)
- Общо отделяне на дим (TSR)
- Зависима от времето загуба на маса
Основните параметри на изпитването са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Държач за проби | Хоризонтален |
| Топлинен поток | 50kW/m² |
| Номинален дебит | 24,0 l/s |
| Разстояние до конусния нагревател | 25 мм |
| Маса на пробите | Стандартна: 48,8 g Материал 1: 38,3 g Материал 2: 41,9 g Материал 3: 42,3 g |
На фигура 2 са показани пробите в държача за проби преди измерването.
Условия за измерване
Поведение при възпламеняване
Всички тествани материали се възпламениха в рамките на кратък времеви интервал от приблизително 21 до 25 секунди.
Тези много сходни времена за възпламеняване сочат, че различните модификации на материала оказват малко или никакво влияние върху първоначалното термично нагряване и поведението при разлагане на PP системите при избраните условия на изпитване.
Отделяне на топлина
Скоростта на отделяне на топлина1 е ключов параметър за оценка на интензивността на горенето на материалите. Съответните криви на HRR са показани на фигура 3.
1Скорост на отделянена топлина(HRR): Скоростта на отделяне на енергия на единица време и площ по време на горенето. Тя се счита за един от най-важните параметри за оценка на интензивността на пожара и се определя с помощта на конусен калориметър, работещ на принципа на консумацията на кислород.
Референтният материал показва значително по-изразен пик в скоростта на отделяне на топлина. Максималната скорост на отделяне на топлина (HRRmax) е приблизително два пъти по-висока от тази на модифицираните варианти на PP.
Материали 1, 2 и 3, напротив, постигат значително по-ниски стойностина HRRmax и показват по-равномерно общо развитие на пожара. Това подсказва, че модифицираният състав на материала ефективно ограничава интензивността на пожара в ранната му фаза.
След първоначалния максимум кривите на отделяне на топлина на различните материали се сближават. Това показва, че въпреки различните си състави, изследваните материали проявяват сходно общо поведение при горене.
Образуване на дим
Най-значителните разлики между тестваните варианти на материала се наблюдават при отделянето на дим, което е ключов параметър, свързан с безопасността в случай на пожар (виж фигура 4).
Стандартният материал показва най-високо общо отделяне на дим. За разлика от него, и трите модифицирани варианта на полипропилена демонстрират значително намалено общо отделяне на дим през целия период на пожара.
Стойностите на TSR² за материали 1, 2 и 3 са значително по-ниски от стойността на референтния материал. Това показва, че образуването на дим може да бъде намалено чрез конкретни промени в състава на материала.
Резултатите показват, че образуването на дим може да бъде оптимизирано чрез подходящи модификации на състава, без това да повлияе значително на запалителните свойства на системите от полипропилен с високо съдържание на пълнители.
2TSR(Total Smoke Release – Общо отделяне на дим): Общото отделяне на дим по време на изпитването; интегрален параметър за количествена оценка на образуването на дим през цялата продължителност на пожара.
Загуба на маса
Относителната загуба на маса е мярка за термичното разграждане на материалите при излагане на огън, както е показано на фигура 5. Изразяването на данните в проценти компенсира влиянието на различните начални маси на пробите и позволява пряко сравнение на кривите на разграждане.
Трите модифицирани полипропиленови (PP) материала (материали от 1 до 3) показват много сходни криви на относителната загуба на маса. Максималната загуба на маса за всичките три варианта е приблизително 8 до 9 %.
За разлика от тях стандартният материал показва значително по-висока относителна загуба на маса – почти 12 %. Следователно при избраните условия на изпитване той претърпява по-голямо термично разграждане в сравнение с модифицираните варианти на PP.
По-ниската относителна загуба на маса при модифицираните материали съответства на високото им съдържание на минерални пълнители, което намалява съдържанието на полимер и може да допринесе за стабилно образуване на остатъци.
Сходните криви за материали 1 до 3 показват, че модифицирането на състава на материала води до сравнимо поведение при термично разлагане при тези варианти.
Състояние на пробите след измерването
След приключване на измерванията всички тествани материали показват значително образуване на остатъци, което е типично за системи от полипропилен с висока степен на пълнене (вж. фигура 6).
Разликите в повърхностната структура и степента на овъгляване корелират с наблюдаваните вариации в ранните етапи на пожара.
Резюме
Изследването на полипропиленовите (PP) материали с висока степен на пълнене показва, че всички системи, тествани при избраните условия на изпитване, имат сравними времена за възпламеняване.
Референтният материал обаче показва значително по-висока максимална скорост на отделяне на топлина (HRRmax) – приблизително два пъти по-висока от тази на модифицираните варианти на PP, което показва по-висока интензивност на пожара.
Разликите в образуването на дим са особено изразени. Всички модифицирани материали демонстрират значително по-ниско общо отделяне на дим (TSR) в сравнение с референтната система.
Относителната загуба на маса също е по-ниска при модифицираните варианти на PP – около 8–9 % – в сравнение със стандартния материал, при който тя е почти 12 %, което предполага намалена термична деградация на материала.
Тези резултати показват, че целенасочените промени в състава на материала могат да намалят максималната интензивност на пожара, образуването на дим и разграждането на силно напълнените полипропиленови системи.
Конусната калориметрия се счита за един от най-важните методи за оценка на пожарното поведение на полимерните материали. Това се дължи на факта, че тя едновременно измерва ключови параметри като отделяне на топлина, образуване на дим и загуба на маса при определени пожарни условия.
NETZSCH TCC 918 предоставя надеждно и възпроизводимо средство за характеризиране на такива разлики, свързани с материала.