Úvod
Polypropylen (PP) je termoplast, který je nejen ekonomicky významný, ale také snadno zpracovatelný a nabízí širokou škálu použití. Vzhledem k jeho relativně vysoké hořlavosti je však jeho využití v aplikacích vyžadujících zvýšenou požární bezpečnost omezené.
Osvědčenou strategií pro zlepšení požárního chování je použití vysokého podílu minerálních plniv. V případě požáru mohou tato plniva působit jako tepelná bariéra, která snižuje uvolňování tepla a zpomaluje proces rozkladu, přičemž přispívá k tvorbě stabilních zbytkových struktur.
Tato aplikační poznámka zkoumá čtyři vysoce plněné PP materiály s obsahem plniva 60 %. Jeden materiál slouží jako referenční, zatímco materiály 1, 2 a 3 představují modifikované varianty s upraveným složením.
Cílem studie je systematicky kvantifikovat rozdíly v chování těchto PP systémů při požáru a při tvorbě kouře a vyhodnotit vliv modifikací materiálu na chování při vznícení, uvolňování tepla, tvorbu kouře a úbytek hmotnosti.
Měřicí podmínky
Měření byla provedena pomocí kuželového kalorimetru TCC 918 (obrázek 1) v souladu s normou ISO 5660-1.
Vzorky byly umístěny vodorovně a vystaveny konstantní hustotě tepelného toku 50 kW/m². Během měření byly zaznamenány následující parametry:
- Doba do vznícení (TOI)
- Maximální rychlost uvolňování tepla (HRRmax)
- Celkové uvolnění kouře (TSR)
- Časově závislá ztráta hmotnosti
Hlavní parametry zkoušek jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Držák vzorku | Vodorovně |
| Teplotní tok | 50kW/m² |
| Jmenovitý průtok | 24,0 l/s |
| Vzdálenost od kuželového ohřívače | 25 mm |
| Hmotnost vzorků | Standard: 48,8 g Materiál 1: 38,3 g Materiál 2: 41,9 g Materiál 3: 42,3 g |
Na obrázku 2 jsou znázorněny vzorky v držáku vzorků před měřením.
Měřicí podmínky
Chování při vznícení
Všechny testované materiály se vznítily v úzkém časovém rozmezí přibližně 21 až 25 sekund.
Tyto velmi podobné doby vznícení naznačují, že různé modifikace materiálů mají za zvolených zkušebních podmínek jen malý nebo žádný vliv na počáteční tepelné chování a chování při rozkladu systémů z PP.
Uvolňování tepla
Rychlost uvolňování tepla1 je klíčovým parametrem pro hodnocení intenzity hoření materiálů. Odpovídající křivky HRR jsou znázorněny na obrázku 3.
1Rychlost uvolňovánítepla(HRR): Míra energie uvolňované za jednotku času a plochy během hoření. Je považována za jeden z nejdůležitějších parametrů pro posouzení intenzity hoření a stanovuje se pomocí kuželového kalorimetru na základě principu spotřeby kyslíku.
Referenční materiál vykazuje výrazně výraznější vrchol v rychlosti uvolňování tepla. Maximální rychlost uvolňování tepla (HRRmax) je přibližně dvojnásobná oproti modifikovaným variantám PP.
Materiály 1, 2 a 3 naopak dosáhly výrazně nižších hodnotHRRmax a vykazovaly celkově rovnoměrnější průběh hoření. To naznačuje, že modifikované složení materiálu účinně omezuje intenzitu hoření v počáteční fázi požáru.
Po dosažení počátečního maxima se křivky uvolňování tepla u různých materiálů sbližují. To naznačuje, že navzdory odlišnému složení vykazují zkoumané materiály podobné celkové chování při hoření.
Vznik kouře
Nejvýznamnější rozdíly mezi testovanými variantami materiálů lze pozorovat u tvorby kouře, která je klíčovým bezpečnostním parametrem v případě požáru (viz obrázek 4).
Standardní materiál vykazuje nejvyšší celkové uvolňování kouře. Naproti tomu všechny tři modifikované varianty PP vykazují po celou dobu hoření výrazně snížené celkové uvolňování kouře.
Hodnoty TSR² materiálů 1, 2 a 3 jsou výrazně nižší než hodnota referenčního materiálu. To dokazuje, že tvorbu kouře lze snížit provedením konkrétních změn ve složení materiálu.
Výsledky ukazují, že tvorbu kouře lze optimalizovat vhodnými úpravami složení, aniž by to významně ovlivnilo chování při vznícení systémů z vysoce plněného PP.
2TSR(Total Smoke Release): Celkové uvolnění kouře během zkoušky; integrální parametr pro kvantitativní hodnocení tvorby kouře po celou dobu trvání požáru.
Úbytek hmotnosti
Relativní úbytek hmotnosti je měřítkem tepelné degradace materiálů při vystavení ohni, jak je znázorněno na obrázku 5. Vyjádření údajů v procentech kompenzuje vliv různých počátečních hmotností vzorků a umožňuje přímé srovnání degradačních křivek.
Tři modifikované polypropylenové (PP) materiály (materiály 1 až 3) vykazují velmi podobné křivky relativního úbytku hmotnosti. Maximální úbytek hmotnosti u všech tří variant činí přibližně 8 až 9 %.
Naproti tomu standardní materiál vykazuje výrazně vyšší relativní úbytek hmotnosti, a to téměř 12 %. Za zvolených zkušebních podmínek tedy dochází u něj k větší tepelné degradaci než u modifikovaných variant PP.
Nižší relativní úbytek hmotnosti modifikovaných materiálů odpovídá jejich vysokému obsahu minerálních plniv, která snižují obsah polymeru a mohou přispívat ke stabilní tvorbě zbytků.
Podobné křivky u materiálů 1 až 3 naznačují, že úprava složení materiálu vede u těchto variant ke srovnatelnému chování při tepelném rozkladu.
Stav vzorků po měření
Po dokončení měření vykazují všechny testované materiály významnou tvorbu zbytků, což je typické pro systémy z PP s vysokým obsahem plniva (viz obrázek 6).
Rozdíly v povrchové struktuře a stupni zuhelnatění korelují s pozorovanými odchylkami v počátečních fázích požáru.
Shrnutí
Zkoumání materiálů z polypropylenu (PP) s vysokým obsahem plniva ukazuje, že všechny testované systémy vykazují za zvolených zkušebních podmínek srovnatelné doby vznícení.
Referenční materiál však vykazoval výrazně vyšší maximální rychlost uvolňování tepla (HRRmax), přibližně dvojnásobnou oproti modifikovaným variantám PP, což naznačuje vyšší intenzitu hoření.
Rozdíly ve tvorbě kouře jsou obzvláště výrazné. Všechny modifikované materiály vykazují ve srovnání s referenčním systémem výrazně snížené celkové uvolňování kouře (TSR).
Relativní úbytek hmotnosti je u modifikovaných variant PP rovněž nižší, přibližně 8 až 9 %, než u standardního materiálu, u kterého činí téměř 12 %, což naznačuje sníženou tepelnou degradaci materiálu.
Tyto výsledky dokazují, že cílené úpravy složení materiálu mohou snížit maximální intenzitu hoření, tvorbu kouře a degradaci materiálu u systémů s vysokým obsahem plniva v PP.
Kónická kalorimetrie je považována za jednu z nejdůležitějších metod pro hodnocení požárního chování polymerních materiálů. Důvodem je to, že současně měří klíčové parametry, jako je uvolňování tepla, tvorba kouře a úbytek hmotnosti za definovaných požárních podmínek.
NETZSCH TCC 918 poskytuje spolehlivý a reprodukovatelný způsob charakterizace těchto materiálových rozdílů.