Expandabilní grafit - udržitelné řešení pro zpomalovače hoření v plastech

Úvod

Zpomalovače hoření (FR) se již po desetiletí používají ke snížení nebo dokonce vyloučení rizika požáru v plastových součástech, například v elektronice nebo v automobilovém průmyslu. V prvních letech byly standardem halogenované FR, ale na trhu se stále častěji objevují nehalogenované varianty. Důvodem je částečně zvýšené riziko vdechování toxických výparů při hoření halogenovaných FR, ale také změny v předpisech a preference spotřebitelů, pokud jde o udržitelnost. Nejdůležitější iniciativou je nyní Zelená dohoda EU, která bude mít za následek velké příležitosti a případně i povinnosti přejít na bezhalogenové FR. To bude ještě pravděpodobnější, až dojde k očekávané revizi směrnice RoHS (omezení nebezpečných látek).

Na trhu je k dispozici řada různých řešení a mnoho FR polymerů. Jedním z nich je expandovatelný grafit, který si většina spojuje pouze se zvýšenou tepelnou a elektrickou vodivostí. Jeho jedinečné vlastnosti však lze využít i ke zvýšení požární bezpečnosti. Za tímto účelem se large vločky přírodního grafitu ošetřují kyselinami a oxidačními činidly. Vzhledem k relativně slabým vazbám (Van der Waalsovým silám) mezi vrstvami ve srovnání s vazbami uvnitř vrstvy umožňuje vzniklá vzdálenost mezi vrstvami rozpínavým solím vytvořit mezivrstvu - proces se nazývá interkalace. Tyto soli se při působení tepla rozpínají a oddělují od sebe jednotlivé vrstvy grafitu, což vede k obrovskému zvětšení objemu. Expandabilní grafit tak kombinuje dva způsoby požární bezpečnosti najednou. Zaprvé se snižuje hořlavost součásti a zadruhé expandovatelný grafit vytváří v případě požáru ochrannou intumescentní vrstvu. Proto patří do třídy bariérotvorných FR.

V závislosti na typu polymeru , dochází k objemové expanzi při různých teplotách, což omezuje skupinu polymerů, pro které je lze použít. Jedním z typických polymerů, do nichž se FRs přimíchávají, jsou polyetylen (PE), který se používá pro opláštění vodičů a kabelů. Při tomto vytlačování je třeba dobře kontrolovat viskozitu taveniny, aby bylo dosaženo homogenní tloušťky.

* Intumescentní povlaky při působení tepla bobtnají a vytvářejí izolační pěnu, která chrání podklad. Endotermickými reakcemi lze navíc dosáhnout chladicího účinku.

Množství zpomalovače hoření je proto rozhodující, protože ovlivňuje nejen dosažitelné úrovně hořlavosti, ale také zpracovatelnost.

Abychom poukázali na vliv různých množství expandovatelného grafitu jako zpomalovače hoření na chování PE při požáru, byly vzorky různých sloučenin vstřikovány do desek o rozměrech 100 x 100 x ⁴ mm3 a testovány na TCC 918 (viz obr. 1). Přístroj umožňuje stanovit uvolňování tepla, hmotnostní ztráty a hustotu a složení kouřového plynu.

Jak se měření provádí

Před zahájením zkoušek byl systém analýzy plynů (Siemens Oxymat/Ultramat) kalibrován kalibračními plyny a pomocí metanového hořáku s definovaným uvolňováním tepla byl zkontrolován C-faktor. Použitý analyzátor plynů byl vybaven volitelnou funkcí _O2 a_CO2. Po zahřátí kuželového ohřívače se zavřela klapka a horizontální držák vzorku se vzorkem se připevnil na základovou desku. Poté systém automaticky odstranil závěrku pro zahájení měření. Odpařené plyny byly zapáleny automatickým zapalovacím systémem. Podmínky měření jsou shrnuty v tabulce 1.

Jak spolu souvisí uvolňování tepla, hustota kouře a hmotnostní ztráty ?

Prvním pozorovaným efektem je uvolňování tepla; viz obrázek 2. Zatímco u všech vzorků začíná uvolňování tepla mezi 2. a 3. minutou po zahájení zkoušky, je vidět, že u PE bez jakéhokoli zpomalovače hoření (modrá čára) se uvolňování tepla zvyšuje a dosahuje maxima přibližně po 5 minutách. Pro srovnání, oba vzorky s expandovatelným grafitem vykazují mnohem nižší uvolňování tepla a tento účinek je ještě silnější při vyšším množství expandovatelného grafitu (zelená čára). To ukazuje na bariérové vlastnosti grafitu po vytvoření intumescentní vrstvy.

Tabulka 1: Podmínky měření

Další důležitou analýzou je vývoj kouře během požáru. Ten se měří pomocí zjišťování změny přenosu, kdy snížený přenos koreluje s rostoucí hustotou kouře. Na obrázku 3 jsou porovnána měření tří vzorků. Ve všech případech se propustnost začíná snižovat přibližně po 2 minutách testu. Je vidět, že v případě čistého PE klesá přenos přibližně o 30 %. U obou vzorků s FR je pokles výrazně menší; ztráta přenosu činí pouze 20 % u 10 % hmotn. expandovatelného grafitu a 10 % u vyššího množství 20 % hmotn. expandovatelného grafitu.

Hoření vzorku a následné uvolňování tepla je doprovázeno snížením hmotnosti vzorků. Naměřené výsledky - viz obr. 4 - jsou rovněž v dobré shodě s naměřeným uvolňováním tepla a přenosem. Největší úbytek hmotnosti je pozorován u čistého PE vzorku, následovaného vzorkem s 10 % hmot. expandovatelného grafitu. Nejnižší hmotnostní ztráty jsou naměřeny u vzorku s nejvyšším množstvím FR: 20 % hm. expandovatelného grafitu.

Zatímco počátek úbytku hmotnosti lze zjistit přibližně po dvou minutách, změna hmotnosti se nejprve výrazně projeví, když je pozorován výrazný pokles přenosu a nárůst přestupu tepla.

Jaké další účinky mohou mít zpomalovače hoření?

Zatímco vyšší množství FR má klesající vliv na uvolňování tepla, hmotnostní ztráty a zvýšení přenosových vlastností, je třeba prozkoumat změnu viskozity a vyhodnotit její vliv na chování při zpracování. Stejně jako většina přísad (s výjimkou látek zvyšujících tekutost) zvyšují FR viskozitu taveniny v širokém rozsahu smykových rychlostí; viz obrázek 5. To lze do určité míry vyvážit pouze zvýšením teploty vytlačování. Vliv libovolného množství FR lze studovat v kapilárním reometru jako funkci smykové rychlosti.

Závěr

Vizuální porovnání různých vzorků po testu ukazuje, že neošetřený PE vykazuje výrazně více trhlin a děr, které umožňují difúzi kyslíku. Dále je vidět, že přestup tepla a hmoty je omezen, i když se rozpínavý grafit stále zvětšuje. Lze tedy vyvodit závěr, že požární odolnost rozpínavého grafitu vyplývá spíše z fyzikálního než z chemického působení.

Studie ukazuje, že expandovatelný grafit je vhodným zpomalovačem hoření pro PE a že v rámci zde zkoumaného rozsahu obsahu FR je možné zvýšit účinek použitím vyššího množství FR.