Εισαγωγή
Το πολυπροπυλένιο (PP) είναι ένα θερμοπλαστικό υλικό που έχει τόσο οικονομική σημασία όσο και ευκολία επεξεργασίας, προσφέροντας ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Ωστόσο, λόγω της σχετικά υψηλής ευφλεκτότητάς του, η χρήση του σε εφαρμογές που απαιτούν αυξημένη πυρασφάλεια είναι περιορισμένη.
Μια καθιερωμένη στρατηγική για τη βελτίωση της πυροσυμπεριφοράς είναι η χρήση υψηλών αναλογιών ορυκτών πληρωτικών. Σε περίπτωση πυρκαγιάς, αυτά μπορούν να λειτουργήσουν ως θερμικό φράγμα, μειώνοντας την απελευθέρωση θερμότητας και επιβραδύνοντας τη διαδικασία αποσύνθεσης, ενώ συμβάλλουν στον σχηματισμό σταθερών υπολειμματικών δομών.
Η παρούσα σημείωση εφαρμογής εξετάζει τέσσερα υλικά PP με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά, της τάξης του 60%. Ένα υλικό χρησιμεύει ως σημείο αναφοράς, ενώ τα υλικά 1, 2 και 3 αντιπροσωπεύουν τροποποιημένες παραλλαγές με προσαρμοσμένες συνθέσεις.
Η μελέτη στοχεύει στη συστηματική ποσοτικοποίηση των διαφορών στη συμπεριφορά αυτών των συστημάτων PP έναντι της πυρκαγιάς και του καπνού, καθώς και στην αξιολόγηση της επίδρασης των τροποποιήσεων των υλικών στη συμπεριφορά ανάφλεξης, την απελευθέρωση θερμότητας, την παραγωγή καπνού και την απώλεια μάζας.
Συνθήκες μέτρησης
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το θερμιδομετρητή κώνου TCC 918 (εικόνα 1) σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5660-1.
Τα δείγματα τοποθετήθηκαν οριζόντια και εκτέθηκαν σε σταθερή πυκνότητα ροής θερμότητας 50 kW/m². Κατά τη διάρκεια της μέτρησης καταγράφηκαν οι ακόλουθες παράμετροι:
- Χρόνος ανάφλεξης (TOI)
- Μέγιστος ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας (HRRmax)
- Συνολική εκπομπή καπνού (TSR)
- Χρονικά εξαρτώμενη απώλεια μάζας
Οι κύριες παράμετροι των δοκιμών συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Βάση δείγματος | Οριζόντια |
| Ροή θερμότητας | 50kW/m² |
| Ονομαστική παροχή | 24,0 l/s |
| Απόσταση από τον κωνικό θερμαντήρα | 25 mm |
| Μάζες δειγμάτων | Πρότυπο: 48,8 g Υλικό 1: 38,3 g Υλικό 2: 41,9 g Υλικό 3: 42,3 g |
Το Σχήμα 2 παρουσιάζει τα δείγματα στον κάτοχο δειγμάτων πριν από τη μέτρηση.
Συνθήκες μέτρησης
Συμπεριφορά ανάφλεξης
Όλα τα υλικά που υποβλήθηκαν σε δοκιμή αναφλέχθηκαν εντός ενός στενού χρονικού διαστήματος περίπου 21 έως 25 δευτερολέπτων.
Αυτοί οι πολύ παρόμοιοι χρόνοι ανάφλεξης υποδηλώνουν ότι οι διάφορες τροποποιήσεις των υλικών έχουν ελάχιστη έως μηδενική επίδραση στην αρχική θερμική θέρμανση και στη συμπεριφορά αποσύνθεσης των συστημάτων PP υπό τις επιλεγμένες συνθήκες δοκιμής.
Απελευθέρωση θερμότητας
Ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας1 αποτελεί βασική παράμετρο για την αξιολόγηση της έντασης της πυρκαγιάς των υλικών. Οι αντίστοιχες καμπύλες HRR παρουσιάζονται στο σχήμα 3.
1Ρυθμός απελευθέρωσηςθερμότητας(HRR): Ο ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας ανά μονάδα χρόνου και επιφάνειας κατά τη διάρκεια της καύσης. Θεωρείται μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους για την αξιολόγηση της έντασης της πυρκαγιάς και προσδιορίζεται με τη χρήση κωνικού θερμιδομετρητή, βάσει της αρχής της κατανάλωσης οξυγόνου.
Το υλικό αναφοράς παρουσιάζει μια σημαντικά πιο έντονη κορυφή στον ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας. Ο μέγιστος ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας (HRRmax) είναι περίπου διπλάσιος από αυτόν των τροποποιημένων παραλλαγών PP.
Τα υλικά 1, 2 και 3, αντίθετα, παρουσίασαν σημαντικά χαμηλότερες τιμέςHRRmax και επέδειξαν πιο ομοιόμορφη συνολική εξάπλωση της πυρκαγιάς. Αυτό υποδηλώνει ότι η τροποποιημένη σύνθεση του υλικού περιορίζει αποτελεσματικά την ένταση της πυρκαγιάς κατά την αρχική φάση της.
Μετά το αρχικό μέγιστο, οι καμπύλες απελευθέρωσης θερμότητας των διαφόρων υλικών συγκλίνουν. Αυτό υποδηλώνει ότι, παρά τις διαφορετικές συνθέσεις τους, τα υλικά που μελετήθηκαν παρουσιάζουν παρόμοια συνολική συμπεριφορά καύσης.
Παραγωγή καπνού
Οι σημαντικότερες διαφορές μεταξύ των παραλλαγών υλικών που υποβλήθηκαν σε δοκιμή παρατηρούνται στην ανάπτυξη καπνού, η οποία αποτελεί βασική παράμετρο ασφάλειας σε περίπτωση πυρκαγιάς (βλ. Εικόνα 4).
Το τυπικό υλικό παρουσιάζει την υψηλότερη συνολική εκπομπή καπνού. Αντίθετα, και οι τρεις τροποποιημένες παραλλαγές PP παρουσιάζουν σημαντικά μειωμένη συνολική εκπομπή καπνού καθ’ όλη τη διάρκεια της πυρκαγιάς.
Οι τιμές TSR² των υλικών 1, 2 και 3 είναι σημαντικά χαμηλότερες από την τιμή του υλικού αναφοράς. Αυτό δείχνει ότι η παραγωγή καπνού μπορεί να μειωθεί με συγκεκριμένες αλλαγές στη σύνθεση του υλικού.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η παραγωγή καπνού μπορεί να βελτιστοποιηθεί μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων στη σύνθεση, χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά η συμπεριφορά ανάφλεξης των συστημάτων PP με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά.
2TSR(Total Smoke Release): Συνολική εκπομπή καπνού κατά τη διάρκεια της δοκιμής· μια ολοκληρωμένη παράμετρος για την ποσοτική αξιολόγηση της παραγωγής καπνού καθ’ όλη τη διάρκεια της πυρκαγιάς.
Απώλεια μάζας
Η σχετική απώλεια μάζας αποτελεί μέτρο της θερμικής αποσύνθεσης των υλικών κατά την έκθεση στη φωτιά, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Η έκφραση των δεδομένων ως ποσοστό αντισταθμίζει την επίδραση των διαφορετικών αρχικών μαζών των δειγμάτων και επιτρέπει την άμεση σύγκριση των καμπυλών αποσύνθεσης.
Τα τρία τροποποιημένα υλικά πολυπροπυλενίου (PP) (υλικά 1 έως 3) παρουσιάζουν πολύ παρόμοιες καμπύλες σχετικής απώλειας μάζας. Η μέγιστη απώλεια μάζας και για τις τρεις παραλλαγές είναι περίπου 8 έως 9%.
Αντίθετα, το τυπικό υλικό παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερη σχετική απώλεια μάζας, σχεδόν 12%. Επομένως, υπό τις επιλεγμένες συνθήκες δοκιμής, υφίσταται μεγαλύτερη θερμική αποικοδόμηση σε σύγκριση με τις τροποποιημένες παραλλαγές PP.
Η χαμηλότερη σχετική απώλεια μάζας των τροποποιημένων υλικών συνάδει με την υψηλή περιεκτικότητά τους σε ανόργανα πληρωτικά, η οποία μειώνει την περιεκτικότητα σε πολυμερές και μπορεί να συμβάλει στον σταθερό σχηματισμό υπολειμμάτων.
Οι παρόμοιες καμπύλες για τα υλικά 1 έως 3 υποδεικνύουν ότι η τροποποίηση της σύνθεσης του υλικού οδηγεί σε συγκρίσιμη συμπεριφορά θερμικής αποσύνθεσης σε αυτές τις παραλλαγές.
Κατάσταση των δειγμάτων μετά τη μέτρηση
Μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων, όλα τα υλικά που υποβλήθηκαν σε δοκιμή παρουσιάζουν σημαντική δημιουργία υπολειμμάτων, όπως είναι χαρακτηριστικό για συστήματα PP με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά (βλ. σχήμα 6).
Οι διαφορές στην επιφανειακή δομή και στον βαθμό απανθράκωσης συσχετίζονται με τις παρατηρούμενες διακυμάνσεις στα αρχικά στάδια της πυρκαγιάς.
Περίληψη
Η έρευνα σχετικά με τα υλικά πολυπροπυλενίου (PP) με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικό δείχνει ότι όλα τα συστήματα που δοκιμάστηκαν υπό τις επιλεγμένες συνθήκες δοκιμής παρουσιάζουν συγκρίσιμους χρόνους ανάφλεξης.
Ωστόσο, το υλικό αναφοράς παρουσίασε σημαντικά υψηλότερο μέγιστο ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας (HRRmax), περίπου διπλάσιο από αυτόν των τροποποιημένων παραλλαγών PP, γεγονός που υποδηλώνει υψηλότερη ένταση πυρκαγιάς.
Οι διαφορές στην παραγωγή καπνού είναι ιδιαίτερα έντονες. Όλα τα τροποποιημένα υλικά παρουσιάζουν σημαντικά μειωμένη συνολική εκπομπή καπνού (TSR) σε σύγκριση με το σύστημα αναφοράς.
Η σχετική απώλεια μάζας είναι επίσης χαμηλότερη για τις τροποποιημένες παραλλαγές PP, περίπου 8 έως 9%, σε σύγκριση με το τυποποιημένο υλικό, που φτάνει σχεδόν το 12%, γεγονός που υποδηλώνει μειωμένη θερμική αποικοδόμηση του υλικού.
Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν ότι οι στοχευμένες προσαρμογές στη σύνθεση του υλικού μπορούν να μειώσουν τη μέγιστη ένταση της πυρκαγιάς, την παραγωγή καπνού και την αποικοδόμηση των συστημάτων PP με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά.
Η θερμιδομετρία κώνου θεωρείται μία από τις σημαντικότερες μεθόδους για την αξιολόγηση της πυρκαγιακής συμπεριφοράς των πολυμερών υλικών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μετρά ταυτόχρονα βασικές παραμέτρους, όπως την απελευθέρωση θερμότητας, την παραγωγή καπνού και την απώλεια μάζας υπό καθορισμένες συνθήκες πυρκαγιάς.
Η μέθοδος « NETZSCH » ( TCC 918 ) παρέχει ένα αξιόπιστο και αναπαραγώγιμο μέσο για τον χαρακτηρισμό τέτοιων διαφορών που σχετίζονται με τα υλικά.