Indledning
Polypropylen (PP) er en termoplast, der både er økonomisk vigtig og nem at forarbejde, og som kan anvendes til en lang række formål. På grund af materialets relativt høje brændbarhed er dets anvendelse imidlertid begrænset i sammenhænge, hvor der stilles krav om øget brandsikkerhed.
En veletableret strategi til forbedring af brandadfærd er at anvende høje andele af mineralfyldstoffer. I tilfælde af brand kan disse fungere som en termisk barriere, hvilket reducerer varmeafgivelsen og bremser nedbrydningsprocessen, samtidig med at de bidrager til dannelsen af stabile reststrukturer.
Denne anvendelsesnote undersøger fire PP-materialer med højt fyldstofindhold på 60 %. Ét materiale fungerer som reference, mens materialerne 1, 2 og 3 repræsenterer modificerede varianter med tilpassede sammensætninger.
Undersøgelsen har til formål systematisk at kvantificere forskellene i disse PP-systemers brand- og rødadfærd samt at evaluere indflydelsen af materialemodifikationerne på antændelsesadfærd, varmeafgivelse, røgudvikling og massetab.
Målebetingelser
Undersøgelserne blev udført med et Cone Calorimeter fra TCC 918 i overensstemmelse med ISO 5660-1.
Prøverne blev placeret vandret og udsat for en konstant varmestrømstæthed på 50 kW/m². Følgende parametre blev registreret under målingen:
- Tid til antændelse (TOI)
- Maksimal varmeafgivelseshastighed (HRRmax)
- Samlet røgudledning (TSR)
- Tidsafhængigt massetab
De vigtigste testparametre er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Prøveholder | Vandret |
| Varmestrøm | 50kW/m² |
| Nominel gennemstrømning | 24,0 l/s |
| Afstand til keglevarmeren | 25 mm |
| Prøvemasser | Standard: 48,8 g Materiale 1: 38,3 g Materiale 2: 41,9 g Materiale 3: 42,3 g |
Figur 2 viser prøverne i prøveholderen før målingen.
Målebetingelser
Antændelsesadfærd
Alle testede materialer antændtes inden for et snævert tidsvindue på ca. 21 til 25 sekunder.
Disse meget ens antændelsestider tyder på, at de forskellige materialemodifikationer har ringe eller ingen indflydelse på PP-systemernes indledende termiske opvarmning og nedbrydningsadfærd under de valgte testbetingelser.
Varmeafgivelse
Varmeafgivelseshastigheden1 er en nøgleparameter til vurdering af materialers brandintensitet. De tilhørende HRR-kurver er vist i figur 3.
1Varmeafgivelseshastighed(HRR): Den mængde energi, der frigives pr. tidsenhed og arealenhed under forbrænding. Den betragtes som en af de vigtigste parametre til vurdering af brandintensitet og bestemmes ved hjælp af et keglekalorimeter baseret på iltforbrugsprincippet.
Referencematerialet udviser en markant mere udtalt top i varmeafgivelseshastigheden. Den maksimale varmeafgivelseshastighed (HRRmax) er cirka dobbelt så stor som for de modificerede PP-varianter.
Materialerne 1, 2 og 3 opnåede derimod betydeligt lavereHRRmax-værdier og udviste en mere ensartet samlet brandudvikling. Dette tyder på, at den modificerede materialesammensætning effektivt begrænser brandintensiteten i den tidlige fase af en brand.
Efter det indledende maksimum konvergerer varmeafgivelseskurverne for de forskellige materialer. Dette indikerer, at de undersøgte materialer trods deres forskellige sammensætninger udviser en lignende samlet forbrændingsadfærd.
Røgudvikling
De mest markante forskelle mellem de testede materialevarianter ses i røgudviklingen, som er en afgørende sikkerhedsrelateret parameter i tilfælde af brand (se figur 4).
Standardmaterialet udviser den højeste samlede røgudvikling. Derimod viser alle tre modificerede PP-varianter en markant reduceret samlet røgudvikling gennem hele brandforløbet.
TSR²-værdierne for materialerne 1, 2 og 3 er betydeligt lavere end referencematerialets værdi. Dette viser, at røgudviklingen kan reduceres ved at foretage specifikke ændringer i materialets sammensætning.
Resultaterne viser, at røgudviklingen kan optimeres gennem passende ændringer i sammensætningen uden at påvirke antændelsesadfærden hos PP-systemer med højt fyldstofindhold væsentligt.
2TSR(Total Smoke Release): Samlet røgudvikling under testen; en integreret parameter til kvantitativ vurdering af røgudviklingen gennem hele brandens varighed.
Massetab
Det relative massetab er et mål for materialers termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning under brandpåvirkning, som vist i figur 5. Ved at udtrykke dataene i procent udlignes indflydelsen af forskellige udgangsmasser for prøverne, hvilket muliggør en direkte sammenligning af nedbrydningskurverne.
De tre modificerede polypropylen (PP)-materialer (materiale 1 til 3) udviser meget ens relative massetabskurver. Det maksimale massetab for alle tre varianter ligger på ca. 8 til 9 %.
Derimod udviser standardmaterialet et betydeligt højere relativt massetab på næsten 12 %. Under de valgte testbetingelser gennemgår det derfor en større termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning end de modificerede PP-varianter.
Det lavere relative massetab for de modificerede materialer stemmer overens med deres høje indhold af mineralfyldstof, hvilket reducerer polymerindholdet og kan bidrage til dannelsen af stabile restprodukter.
De ens kurver for materialerne 1 til 3 indikerer, at en ændring af materialesammensætningen fører til en sammenlignelig termisk nedbrydningsadfærd i disse varianter.
Prøvernes tilstand efter målingen
Efter afslutningen af målingerne udviser alle testede materialer betydelig restdannelse, hvilket er typisk for PP-systemer med højt fyldstofindhold (se figur 6).
Forskelle i overfladestruktur og forkulingsgrad hænger sammen med de observerede variationer i brandens tidlige faser.
Resumé
Undersøgelsen af polypropylen (PP)-materialer med højt fyldstofindhold viser, at alle systemer, der er testet under de valgte testbetingelser, har sammenlignelige antændelsestider.
Referencematerialet udviste imidlertid en markant højere maksimal varmeafgivelseshastighed (HRRmax), ca. dobbelt så høj som de modificerede PP-varianter, hvilket indikerer en højere brandintensitet.
Forskellene i røgudvikling er særligt markante. Alle de modificerede materialer udviser en markant reduceret samlet røgudledning (TSR) sammenlignet med referencesystemet.
Det relative massetab er også lavere for de modificerede PP-varianter, på omkring 8 til 9 %, end for standardmaterialet, på næsten 12 %, hvilket tyder på en reduceret termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af materialet.
Disse resultater viser, at målrettede justeringer af materialesammensætningen kan reducere den maksimale brandintensitet, røgudviklingen og materialenedbrydningen i PP-systemer med højt fyldstofindhold.
Keglekalorimetri betragtes som en af de vigtigste metoder til vurdering af polymermaterialers brandadfærd. Dette skyldes, at den samtidig måler nøgleparametre såsom varmeafgivelse, røgudvikling og massetab under definerede brandforhold.
NETZSCH TCC 918 udgør et pålideligt og reproducerbart middel til at karakterisere sådanne materialerelaterede forskelle.