Διογκούμενος γραφίτης - Μια βιώσιμη λύση για επιβραδυντές φλόγας στα πλαστικά

Εισαγωγή

Τα επιβραδυντικά φλόγας (FR) χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες για να μειώσουν ή ακόμη και να εξαλείψουν τον κίνδυνο πυρκαγιάς σε πλαστικά εξαρτήματα για εφαρμογές όπως η ηλεκτρονική βιομηχανία ή η αυτοκινητοβιομηχανία. Τα πρώτα χρόνια, τα αλογονωμένα FRs ήταν το πρότυπο, αλλά όλο και περισσότερες, μη αλογονωμένες επιλογές εμφανίζονται στην αγορά. Αυτό οφείλεται εν μέρει στους πρόσθετους κινδύνους εισπνοής τοξικών αναθυμιάσεων όταν καίγονται οι αλογονωμένοι FR, αλλά και στις αλλαγές στους κανονισμούς και στις προτιμήσεις των καταναλωτών όσον αφορά τη βιωσιμότητα. Η πιο σημαντική πρωτοβουλία αυτή τη στιγμή είναι το Green Deal της ΕΕ, το οποίο θα οδηγήσει σε ισχυρές ευκαιρίες και, ενδεχομένως, υποχρεώσεις για τη μετάβαση σε FR χωρίς αλογόνα. Αυτό θα είναι ακόμη πιο πιθανό όταν πραγματοποιηθεί η αναμενόμενη αναθεώρηση της RoHS (περιορισμός των επικίνδυνων ουσιών).

Στην αγορά διατίθενται ποικίλες διαφορετικές λύσεις και πολυάριθμα πολυμερή FR. Ένα από αυτά είναι ο διογκούμενος γραφίτης, τον οποίο οι περισσότεροι συνδέουν μόνο με αυξημένη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ωστόσο, οι μοναδικές ιδιότητές του μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν για την αύξηση της πυρασφάλειας. Για να επιτευχθεί αυτό, large νιφάδες φυσικού γραφίτη υποβάλλονται σε επεξεργασία με οξέα και οξειδωτικούς παράγοντες. Λόγω των σχετικά ασθενών δεσμών (δυνάμεις Van der Waals) μεταξύ των στρωμάτων σε σύγκριση με εκείνους εντός ενός στρώματος, η προκύπτουσα απόσταση μεταξύ των στρωμάτων επιτρέπει στα διογκούμενα άλατα να σχηματίσουν ένα ενδιάμεσο στρώμα - μια διαδικασία που ονομάζεται παρεμβολή. Αυτά τα άλατα διαστέλλονται και απομακρύνουν τα επιμέρους στρώματα γραφίτη όταν υποβάλλονται σε θερμότητα, οδηγώντας σε τεράστια αύξηση του όγκου. Με τον τρόπο αυτό, ο διογκούμενος γραφίτης συνδυάζει ταυτόχρονα δύο τρόπους πυρασφάλειας. Πρώτον, μειώνεται η αναφλεξιμότητα του εξαρτήματος και, δεύτερον, ο διογκούμενος γραφίτης σχηματίζει ένα προστατευτικό στρώμα ανάφλεξης σε περίπτωση πυρκαγιάς. Ως εκ τούτου, ανήκουν στην κατηγορία των FR που σχηματίζουν φραγμό.

Ανάλογα με τον τύπο του πολυμερούς , η διαστολή όγκου λαμβάνει χώρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες, γεγονός που περιορίζει την ομάδα πολυμερών για την οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Ένα από τα τυπικά πολυμερή στα οποία αναμιγνύονται οι FR είναι τα πολυαιθυλένια (PE), τα οποία χρησιμοποιούνται για περιβλήματα καλωδίων και καλωδίων. Σε αυτή την εφαρμογή εξώθησης, το ιξώδες του τήγματος πρέπει να ελέγχεται καλά για να επιτυγχάνονται ομοιογενή πάχη.

* Οι αναφλέξιμες επικαλύψεις διογκώνονται όταν εκτίθενται στη θερμότητα και σχηματίζουν έναν μονωτικό αφρό που προστατεύει το υπόστρωμα. Με ενδοθερμικές αντιδράσεις, μπορεί επιπλέον να επιτευχθεί ένα ψυκτικό αποτέλεσμα.

Ως εκ τούτου, η ποσότητα του επιβραδυντικού φλόγας είναι κρίσιμη, διότι επηρεάζει όχι μόνο τα επιτεύξιμα επίπεδα αναφλεξιμότητας, αλλά και την ικανότητα επεξεργασίας.

Για να αναδειχθεί η επίδραση των διαφορετικών ποσοτήτων διογκώσιμου γραφίτη ως επιβραδυντικού φλόγας στη συμπεριφορά του PE στη φωτιά, δείγματα των διαφορετικών ενώσεων μορφοποιήθηκαν με έγχυση σε πλάκες 100 x 100 x ^4-mm3 και δοκιμάστηκαν στο TCC 918 (βλ. σχήμα 1). Το όργανο επιτρέπει τον προσδιορισμό της έκλυσης θερμότητας, της απώλειας μάζας και της πυκνότητας και της σύνθεσης του αερίου καπνού.

Πώς πραγματοποιείται η μέτρηση

libralibraΠριν από την έναρξη των δοκιμών, το σύστημα ανάλυσης αερίων (Siemens Oxymat/Ultramat) τροφοδοτήθηκε με αέρια και ο συντελεστής C ελέγχθηκε με τη χρήση καυστήρα μεθανίου με καθορισμένη έκλυση θερμότητας. Ο αναλυτής αερίων που χρησιμοποιήθηκε ήταν εξοπλισμένος με επιλογή _O2 και_CO2. Αφού θερμάνθηκε ο κωνικός θερμαντήρας, έκλεισε το κλείστρο και η οριζόντια υποδοχή δείγματος με το δείγμα τοποθετήθηκε στην πλάκα εδάφους. Στη συνέχεια, το σύστημα αφαίρεσε αυτόματα το κλείστρο για την έναρξη της μέτρησης. Τα εξατμιζόμενα αέρια αναφλέγονταν από το σύστημα αυτόματης ανάφλεξης. Οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.

Πώς συνδέονται η έκλυση θερμότητας, η πυκνότητα καπνού και η απώλεια μάζας

Το πρώτο αποτέλεσμα που παρατηρείται είναι η έκλυση θερμότητας, βλέπε σχήμα 2. Ενώ η έκλυση θερμότητας αρχίζει μεταξύ 2 και 3 λεπτών μετά την έναρξη της δοκιμής για όλα τα δείγματα, φαίνεται ότι για το PE χωρίς επιβραδυντικό φλόγας (μπλε γραμμή), η έκλυση θερμότητας αυξάνεται και φτάνει στο μέγιστο περίπου στα 5 λεπτά. Συγκριτικά, και τα δύο δείγματα με διογκούμενο γραφίτη παρουσιάζουν πολύ χαμηλότερη έκλυση θερμότητας και το αποτέλεσμα είναι ακόμη ισχυρότερο με μεγαλύτερη ποσότητα διογκούμενου γραφίτη (πράσινη γραμμή). Αυτό υποδεικνύει τις ιδιότητες φραγμού του γραφίτη μόλις σχηματιστεί το ενδοφλέβιο στρώμα.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Μια άλλη σημαντική ανάλυση είναι η ανάπτυξη καπνού κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς. Αυτό μετράται με την ανίχνευση μιας αλλαγής στη διαπερατότητα, όπου η μειωμένη διαπερατότητα συσχετίζεται με την αυξανόμενη πυκνότητα καπνού. Στο σχήμα 3 συγκρίνονται οι μετρήσεις των 3 δειγμάτων. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μετάδοση αρχίζει να μειώνεται μετά από περίπου 2 λεπτά δοκιμασίας. Φαίνεται ότι στην περίπτωση του καθαρού PE, η μετάδοση μειώνεται κατά περίπου 30%. Και στα δύο δείγματα με FR, η πτώση είναι σημαντικά μικρότερη- η απώλεια μετάδοσης είναι μόνο 20% με 10 wt% διογκούμενο γραφίτη και 10% με την υψηλότερη ποσότητα διογκούμενου γραφίτη 20 wt%.

Η καύση του δείγματος και η επακόλουθη έκλυση θερμότητας συνοδεύεται από μείωση του βάρους των δειγμάτων. Τα μετρούμενα αποτελέσματα - βλ. σχήμα 4 - βρίσκονται επίσης σε καλή συμφωνία με τη μετρούμενη απελευθέρωση θερμότητας και τη μετάδοση. Η μεγαλύτερη απώλεια μάζας παρατηρείται για το καθαρό δείγμα PE, ακολουθούμενο από το δείγμα με 10 % κ.β. διογκώσιμο γραφίτη. Η χαμηλότερη απώλεια μάζας μετράται για το δείγμα με την υψηλότερη ποσότητα FR: 20 wt% διογκώσιμο γραφίτη.

Ενώ η έναρξη της απώλειας μάζας μπορεί να ανιχνευθεί μετά από περίπου δύο λεπτά, η μεταβολή του βάρους γίνεται πρώτα έντονα εμφανής όταν παρατηρείται η σημαντική πτώση της μετάδοσης και η αύξηση της μεταφοράς θερμότητας.

Ποιες άλλες επιδράσεις μπορεί να έχουν τα επιβραδυντικά φλόγας

Ενώ οι υψηλότερες ποσότητες FR έχουν μειωτική επίδραση στην έκλυση θερμότητας, την απώλεια μάζας και την αύξηση της ιδιότητας μετάδοσης, η αλλαγή στο ιξώδες πρέπει να διερευνηθεί και να αξιολογηθεί η επίδρασή της στη συμπεριφορά επεξεργασίας. Όπως και τα περισσότερα πρόσθετα (εξαιρουμένων των ενισχυτών ροής), οι FR αυξάνουν το ιξώδες του τήγματος σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών διάτμησης- βλέπε σχήμα 5. Αυτό μπορεί να εξισορροπηθεί σε κάποιο βαθμό μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας εξώθησης. Η επίδραση οποιασδήποτε δεδομένης ποσότητας FR μπορεί να μελετηθεί σε ένα τριχοειδές ρεόμετρο ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης.

Συμπέρασμα

Η οπτική σύγκριση των διαφορετικών δειγμάτων μετά τη δοκιμή δείχνει ότι το μη επεξεργασμένο PE παρουσιάζει σημαντικά περισσότερες ρωγμές και οπές, παρέχοντας διέξοδο για τη διάχυση οξυγόνου. Μπορεί επίσης να φανεί ότι η μεταφορά θερμότητας και μάζας είναι περιορισμένη, ακόμη και όταν ο διογκούμενος γραφίτης συνεχίζει να αυξάνεται. Έτσι, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η επιβράδυνση της πυρκαγιάς του διογκώσιμου γραφίτη προκύπτει περισσότερο από μια φυσική παρά από μια χημική δράση.

Η μελέτη δείχνει ότι ο διογκούμενος γραφίτης είναι κατάλληλο επιβραδυντικό φλόγας για το PE και ότι, εντός του εύρους των επιπέδων περιεκτικότητας σε FR που διερευνήθηκαν εδώ, είναι δυνατόν να αυξηθεί το αποτέλεσμα με τη χρήση μεγαλύτερων ποσοτήτων FR.