Въведение
В продължение на десетилетия забавителите на горенето се използват за намаляване или дори премахване на риска от пожар в пластмасови компоненти за приложения като електрониката и автомобилната промишленост. В първите години стандартни бяха халогенираните FR, но на пазара се появяват все повече нехалогенирани варианти. Това отчасти се дължи на допълнителните рискове от вдишване на токсични изпарения при горене на халогенирани FR, но също така и на промените в нормативната уредба и предпочитанията на потребителите по отношение на устойчивостта. Най-важната инициатива в момента е "Зелената сделка" на ЕС, която ще доведе до големи възможности и евентуално до задължения за преминаване към FR без халогени. Това ще бъде още по-вероятно, когато се осъществи очакваното преразглеждане на RoHS (Ограничаване на опасните вещества).
На пазара се предлагат различни решения и множество FR полимери. Един от тях е разширяемият графит, който повечето свързват само с повишена топло- и електропроводимост. Неговите уникални свойства обаче могат да се използват и за повишаване на пожарната безопасност. За да се постигне това, large люспи от естествен графит се обработват с киселини и окислители. Поради относително слабите връзки (сили на Ван дер Ваалс) между слоевете в сравнение с тези в рамките на един слой, полученото разстояние между слоевете позволява на разширяващи се соли да образуват междинен слой - процес, наречен интеркалация. Тези соли се разширяват и разкъсват отделните графитни слоеве, когато са подложени на топлина, което води до огромно увеличение на обема. По този начин експандиращият графит съчетава едновременно два режима на пожарна безопасност. Първо, запалимостта на компонента се намалява; и второ, разширяемият графит образува защитен интусионен слой в случай на пожар. Поради това те принадлежат към класа на бариерообразуващите ФР.
В зависимост от вида на полимера , обемното разширение настъпва при различни температури, което ограничава групата полимери, за които може да се използва. Един от типичните полимери, в които се влагат FRs, са полиетилените (PE), които се използват за обвивки на проводници и кабели. При това приложение на екструдиране вискозитетът на стопилката трябва да се контролира добре, за да се постигне хомогенна дебелина.
* Интумесцентните покрития набъбват, когато са изложени на топлина, и образуват изолационна пяна, която предпазва основата. Освен това чрез ендотермични реакции може да се постигне охлаждащ ефект.
Поради това количеството на забавителя на горенето е от решаващо значение, тъй като то влияе не само върху постижимите нива на запалимост, но и върху обработваемостта.
За да се подчертае ефектът на различните количества експандиран графит като забавител на горенето върху поведението на PE при пожар, образци от различните съединения бяха формовани под налягане в плочи с размери 100 x 100 x 4 mm3 и тествани в TCC 918 (вж. фигура 1). Уредът позволява да се определят отделянето на топлина, загубата на маса и плътността и съставът на димните газове.
Как се извършва измерването
Преди началото на тестовете системата за газов анализ (Siemens Oxymat/Ultramat) беше калибрирана с калибровъчни газове и беше проверен C-факторът чрез използване на метанова горелка с определено отделяне на топлина. Използваният газов анализатор е оборудван с опция за O2 иCO2. След нагряването на конусовидния нагревател затворът беше затворен и хоризонталният държач за проби с пробата беше монтиран върху заземената плоча. След това системата автоматично премахна затвора за започване на измерването. Изпарените газове бяха запалени от автоматичната запалителна система. Условията на измерване са обобщени в таблица 1.
Как са свързани отделянето на топлина, плътността на дима и загубата на маса ?
Първият ефект, който се наблюдава, е отделянето на топлина; вж. фигура 2. Въпреки че отделянето на топлина започва между 2 и 3 минути след началото на изпитването за всички образци, може да се види, че за PE без никакъв забавител на горенето (синята линия) отделянето на топлина се увеличава и достига максимум на около 5 минути. За сравнение, и двата образеца с разширяем графит показват много по-ниско отделяне на топлина, като ефектът е още по-силен при по-голямо количество разширяем графит (зелена линия). Това показва бариерните свойства на графита, след като се образува интумесцентен слой.
Таблица 1: Условия за измерване
| Образец на ходер | Хоризонтален | |
| Топлинен поток | 50 kW/m² | |
| Номинален дебит на въздухопровода | 24.0 l/s | |
Друг важен анализ е развитието на дима по време на пожар. Това се измерва чрез откриване на промяна в пропускането, като намаленото пропускане е свързано с увеличаване на плътността на дима. На фигура 3 са сравнени измерванията на трите образеца. Във всички случаи пропускането започва да намалява след около 2 минути изпитване. Може да се види, че в случая на чистия полиетилен пропускателната способност спада с около 30 %. И при двата образеца с FR спадът е значително по-малък; загубата на предаване е само 20 % при 10 тегловни % разширяем графит и 10 % при по-голямото количество 20 тегловни % разширяем графит.
Изгарянето на образеца и произтичащото от това отделяне на топлина е съпроводено с намаляване на теглото на образците. Резултатите от измерванията - вж. фигура 4 - също са в добро съответствие с измереното отделяне на топлина и предаване. Най-голяма загуба на маса се наблюдава при чистия образец от PE, следван от образеца с 10 тегловни % разширяем графит. Най-ниската загуба на маса е измерена за образеца с най-голямо количество FR: 20 тегловни % разширяем графит.
Макар че началото на загубата на маса може да се открие след около две минути, промяната в теглото става ясно, когато се наблюдава значителен спад в предавателната способност и увеличение на топлообмена.
Какви други ефекти могат да имат забавителите на горенето?
Докато по-големите количества FR имат намаляващ ефект върху отделянето на топлина, загубата на маса и увеличаването на предавателните свойства, промяната във вискозитета трябва да се изследва и да се оцени нейното влияние върху поведението при обработка. Подобно на повечето добавки (с изключение на подобрителите на потока), FR увеличават вискозитета на стопилката в широк диапазон от скорости на срязване; вж. фигура 5. Това може да се балансира само до известна степен чрез повишаване на температурата на екструдиране. Ефектът на всяко дадено количество FR може да се изследва в капилярен реометър като функция на скоростта на срязване.
Заключение
Визуалното сравнение на различните проби след теста показва, че необработеният PE има значително повече пукнатини и дупки, които осигуряват път за дифузия на кислород. Освен това може да се види, че преносът на топлина и маса е ограничен, дори когато разширяемият графит продължава да се увеличава. По този начин може да се заключи, че огнеустойчивостта на разширяемия графит е резултат по-скоро от физично, отколкото от химично действие.
Изследването показва, че разширяемият графит е подходящ забавител на горенето за PE и че в рамките на изследваните тук нива на съдържание на FR е възможно да се увеличи ефектът чрез използване на по-големи количества FR.