Ekspanderbar grafit - en bæredygtig løsning til flammehæmmere i plast

Introduktion

Flammehæmmere (FR) er blevet brugt i årtier til at reducere eller endda eliminere risikoen for brand i plastkomponenter til f.eks. elektronik- og bilindustrien. I de første år var halogenerede flammehæmmere standard, men der er kommet flere og flere ikke-halogenerede alternativer på markedet. Det skyldes til dels den øgede risiko for at indånde giftige dampe, når halogenerede FR'er brænder, men også ændringer i lovgivningen og forbrugernes præferencer, når det gælder bæredygtighed. Det vigtigste initiativ lige nu er EU's Green Deal, som vil resultere i stærke muligheder og potentielt forpligtelser til at gå over til halogenfri brændere. Dette vil være endnu mere sandsynligt, når den forventede revision af RoHS (Restriction of Hazardous Substances) finder sted.

Der findes en række forskellige løsninger og adskillige FR-polymerer på markedet. En af dem er ekspanderbar grafit, som de fleste kun forbinder med øget termisk og Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.elektrisk ledningsevne. Men dens unikke egenskaber kan også udnyttes til at øge brandsikkerheden. For at opnå det behandles large flager af naturlig grafit med syrer og oxidationsmidler. På grund af de relativt svage bindinger (Van der Waals-kræfter) mellem lagene sammenlignet med dem inden for et lag, gør den resulterende afstand mellem lagene det muligt for ekspanderbare salte at danne et mellemliggende lag - en proces, der kaldes interkalation. Disse salte udvider sig og driver de enkelte grafitlag fra hinanden, når de udsættes for varme, hvilket fører til en enorm volumenforøgelse. Herved kombinerer ekspanderbar grafit to former for brandsikkerhed på én gang. For det første reduceres komponentens antændelighed, og for det andet danner ekspanderbar grafit et beskyttende, opsvulmende lag i tilfælde af brand. Derfor tilhører de klassen af barriereformende FR'er.

Afhængigt af polymertypen sker volumenudvidelsen ved forskellige temperaturer, hvilket begrænser den gruppe af polymerer, den kan bruges til. En af de typiske polymerer, som FR'er blandes i, er polyethylen (PE), som bruges til tråd- og kabelbeklædning. I denne ekstruderingsanvendelse skal smeltens viskositet være velkontrolleret for at opnå homogene tykkelser.

* Intumescerende belægninger svulmer op, når de udsættes for varme, og danner et isolerende skum, der beskytter underlaget. Ved endotermiske reaktioner kan der desuden opnås en kølende effekt.

Derfor er mængden af flammehæmmer kritisk, fordi den ikke kun påvirker de opnåelige brændbarhedsniveauer, men også bearbejdeligheden.

For at belyse effekten af forskellige mængder ekspanderbar grafit som flammehæmmer på PE's brandadfærd blev prøver af de forskellige forbindelser sprøjtestøbt til 100 x 100 x 4 ^mm3 plader og testet i TCC 918 (se figur 1). Instrumentet gør det muligt at bestemme varmeafgivelse, massetab og røggassens densitet og sammensætning.

Hvordan udføres målingen?

Før testene blev påbegyndt, blev gasanalysesystemet (Siemens Oxymat/Ultramat) kalibreret med kalibreringsgasser, og C-faktoren blev kontrolleret ved hjælp af metanbrænderen med en defineret varmeafgivelse. Den anvendte gasanalysator var udstyret med_O2 og en_CO2-mulighed. Efter opvarmning af keglevarmeren blev lukkeren lukket, og den vandrette prøveholder med prøven blev monteret på jordpladen. Derefter fjernede systemet automatisk lukkeren, så målingen kunne begynde. De fordampede gasser blev antændt af det automatiske tændingssystem. Målebetingelserne er opsummeret i tabel 1.

Hvordan hænger varmeafgivelse, røgtæthed og massetab sammen ?

Den første effekt, der kan observeres, er varmeafgivelsen; se figur 2. Mens varmeafgivelsen starter mellem 2 og 3 minutter efter påbegyndelse af testen for alle prøver, kan man se, at for PE uden flammehæmmer (blå linje) stiger varmeafgivelsen og når et maksimum efter ca. 5 minutter. Til sammenligning viser begge prøver med ekspanderbar grafit en meget lavere varmeafgivelse, og effekten er endnu stærkere med en større mængde ekspanderbar grafit (grøn linje). Dette peger på grafittens barriereegenskaber, når det opsvulmende lag er dannet.

Tabel 1: Målebetingelser

En anden vigtig analyse er udviklingen af røg under en brand. Dette måles ved at registrere en ændring i transmission, hvor nedsat transmission korrelerer med stigende røgtæthed. I figur 3 sammenlignes målingerne af de 3 prøver. I alle tilfælde begynder transmissionen at blive reduceret efter ca. 2 minutters testtid. Man kan se, at i tilfældet med ren PE falder transmissionen med ca. 30 %. I begge prøver med FR er faldet betydeligt mindre; transmissionstabet er kun 20 % med 10 vægt-% ekspanderbar grafit og 10 % med den højere mængde på 20 vægt-% ekspanderbar grafit.

Afbrænding af prøven og den deraf følgende varmeafgivelse ledsages af en reduktion af prøvernes vægt. De målte resultater - se figur 4 - er også i god overensstemmelse med den målte varmeafgivelse og transmission. Det højeste massetab er observeret for den rene PE-prøve, efterfulgt af prøven med 10 vægt-% ekspanderbar grafit. Det laveste massetab er målt for prøven med den højeste mængde FR: 20 vægt-% ekspanderbar grafit.

Mens det begyndende massetab kan registreres efter ca. to minutter, bliver vægtændringen først meget tydelig, når det markante fald i transmission og stigningen i varmeoverførsel observeres.

Hvilke andre effekter kan flammehæmmere have?

Mens de højere mængder FR har en faldende effekt på varmeafgivelsen, massetabet og stigningen i transmissionsegenskaberne, skal ændringen i viskositet undersøges, og dens effekt på forarbejdningsadfærden skal evalueres. Ligesom de fleste tilsætningsstoffer (undtagen flowforstærkere) øger FR smeltens viskositet over en bred vifte af forskydningshastigheder; se figur 5. Dette kan kun afbalanceres til en vis grad ved at øge ekstruderingstemperaturen. Effekten af en given mængde FR kan undersøges i et kapillarreometer som en funktion af forskydningshastigheden.

Konklusion

En visuel sammenligning af de forskellige prøver efter testen viser, at den ubehandlede PE udviser betydeligt flere revner og huller, hvilket giver mulighed for iltdiffusion. Man kan også se, at varme- og masseoverførslen er begrænset, selv om den ekspanderbare grafit fortsætter med at stige. Det kan således konkluderes, at den ekspanderbare grafits brandhæmmende egenskaber i højere grad skyldes en fysisk end en kemisk virkning.

Undersøgelsen viser, at ekspanderbar grafit er en egnet flammehæmmer til PE, og at det inden for det interval af FR-indholdsniveauer, der er undersøgt her, er muligt at øge effekten ved at bruge større mængder FR.