Johdanto
Polypropeeni (PP) on taloudellisesti merkittävä ja helposti työstettävä kestomuovi, jolla on laaja valikoima käyttökohteita. Sen suhteellisen korkean syttyvyyden vuoksi sen käyttö sovelluksissa, joissa vaaditaan parempaa paloturvallisuutta, on kuitenkin rajoitettua.
Vakiintunut strategia palokäyttäytymisen parantamiseksi on käyttää suuria määriä mineraalitäyteaineita. Tulipalon sattuessa nämä voivat toimia lämpöesteenä, vähentäen lämmön vapautumista ja hidastaen hajoamisprosessia samalla kun ne edistävät vakaiden jäännösrakenteiden muodostumista.
Tässä sovellusohjeessa tarkastellaan neljää runsaasti täyteainetta sisältävää PP-materiaalia, joiden täyteainepitoisuus on 60 %. Yksi materiaali toimii vertailukohteena, kun taas materiaalit 1, 2 ja 3 edustavat koostumukseltaan muunnettuja variantteja.
Tutkimuksen tavoitteena on systemaattisesti kvantifioida näiden PP-järjestelmien palo- ja savukäyttäytymisen eroja sekä arvioida materiaalimodifikaatioiden vaikutusta syttymiskäyttäytymiseen, lämmönvapautumiseen, savunmuodostukseen ja massahäviöön.
Mittausolosuhteet
Tutkimukset suoritettiin TCC 918 -kartiokalorimetrillä (kuva 1) standardin ISO 5660-1 mukaisesti.
Näytteet sijoitettiin vaakasuoraan ja altistettiin 50 kW/m²:n vakiolämpövirtaustiheydelle. Mittauksen aikana kirjattiin seuraavat parametrit:
- Syttymisaika (TOI)
- Suurin lämmönvapautumisnopeus (HRRmax)
- Savun kokonaispäästö (TSR)
- Aikariippuvainen massahäviö
Tärkeimmät testausparametrit on koottu taulukkoon 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Näytteenpidin | Vaakasuora |
| Lämpövirta | 50kW/m² |
| Nimellinen virtausnopeus | 24,0 l/s |
| Etäisyys kartiolämmittimestä | 25 mm |
| Näytemassat | Standardi: 48,8 g Materiaali 1: 38,3 g Materiaali 2: 41,9 g Materiaali 3: 42,3 g |
Kuvassa 2 näkyvät näytteet näytetelineessä ennen mittausta.
Mittausolosuhteet
Syttymiskäyttäytyminen
Kaikki testatut materiaalit syttyivät kapealla aikavälillä, joka oli noin 21–25 sekuntia.
Nämä hyvin samankaltaiset syttymisajat viittaavat siihen, että eri materiaalimodifikaatioilla on vain vähän tai ei lainkaan vaikutusta PP-järjestelmien alkuvaiheen lämmönkehittymiseen ja hajoamiskäyttäytymiseen valituissa testausolosuhteissa.
Lämmönvapautuminen
Lämmönvapautumisnopeus1 on keskeinen parametri materiaalien palovoimakkuuden arvioinnissa. Vastaavat HRR-käyrät on esitetty kuvassa 3.
1Lämmönvapautumisnopeus(HRR): Palamisen aikana aikayksikköä ja pinta-alayksikköä kohti vapautuvan energian määrä. Sitä pidetään yhtenä tärkeimmistä parametreista palon voimakkuuden arvioinnissa, ja se määritetään kartiokalorimetrillä hapenkulutuksen periaatetta hyödyntäen.
Vertailumateriaalissa lämmönvapautumisnopeuden huippu on huomattavasti selvempi. Lämmönvapautumisnopeuden maksimiarvo (HRRmax) on noin kaksinkertainen verrattuna modifioituihin PP-muunnoksiin.
Materiaalit 1, 2 ja 3 saavuttivat sen sijaan huomattavasti alhaisemmatHRRmax-arvot, ja niiden palon eteneminen oli kokonaisuudessaan tasaisempaa. Tämä viittaa siihen, että modifioitu materiaalikokoonpano rajoittaa tehokkaasti palon voimakkuutta palon alkuvaiheessa.
Alkuperäisen huippuarvon jälkeen eri materiaalien lämmönvapautumiskäyrät lähentyvät toisiaan. Tämä osoittaa, että erilaisista koostumuksistaan huolimatta tutkituilla materiaaleilla on samankaltainen yleinen palokäyttäytyminen.
Savun muodostuminen
Testattujen materiaalivaihtoehtojen väliset merkittävimmät erot havaitaan savunmuodostuksessa, joka on keskeinen turvallisuuteen liittyvä parametri tulipalon sattuessa (ks. kuva 4).
Vakiomateriaalista vapautuu eniten savua yhteensä. Sen sijaan kaikissa kolmessa muokatussa PP-variantissa savun kokonaispäästöt ovat merkittävästi pienemmät koko palon keston ajan.
Materiaalien 1, 2 ja 3 TSR²-arvot ovat huomattavasti alhaisemmat kuin vertailumateriaalin arvo. Tämä osoittaa, että savunmuodostusta voidaan vähentää tekemällä tiettyjä muutoksia materiaalin koostumukseen.
Tulokset osoittavat, että savunmuodostusta voidaan optimoida tekemällä sopivia muutoksia koostumukseen ilman, että se vaikuttaa merkittävästi runsaasti täyteainetta sisältävien PP-järjestelmien syttymiskäyttäytymiseen.
2TSR(Total Smoke Release): Testin aikana vapautuneen savun kokonaismäärä; keskeinen parametri savunmuodostuksen kvantitatiivisessa arvioinnissa koko palon keston ajan.
Massan menetys
Suhteellinen massahäviö on mitta materiaalien lämpöhajoamisesta palon aikana, kuten kuvassa 5 on esitetty. Tietojen ilmaiseminen prosentteina kompensoi näytteiden erilaisten alkuperäisten massojen vaikutuksen ja mahdollistaa hajoamiskäyrien suoran vertailun.
Kolmella modifioidulla polypropeenimateriaalilla (PP) (materiaalit 1–3) on hyvin samankaltaiset suhteelliset massahäviökäyrät. Kaikkien kolmen variantin suurin massahäviö on noin 8–9 %.
Sen sijaan vakiomateriaalin suhteellinen massahäviö on huomattavasti suurempi, lähes 12 %. Siksi se hajoaa valituissa koeolosuhteissa lämpövaikutuksesta enemmän kuin modifioidut PP-variantit.
Modifioitujen materiaalien pienempi suhteellinen massahäviö johtuu niiden korkeasta mineraalitäyteainepitoisuudesta, joka vähentää polymeeripitoisuutta ja voi edistää vakaata jäännöksen muodostumista.
Materiaalien 1–3 samankaltaiset käyrät osoittavat, että materiaalin koostumuksen muokkaaminen johtaa vertailukelpoiseen lämpöhajoamiskäyttäytymiseen näissä muunnoksissa.
Näytteiden kunto mittauksen jälkeen
Mittausten päätyttyä kaikissa testatuissa materiaaleissa on havaittavissa merkittävää jäännösten muodostumista, mikä on tyypillistä korkeasti täytetyille PP-järjestelmille (ks. kuva 6).
Pintarakenteen ja hiiltyneisyyden erot korreloivat palon alkuvaiheissa havaittujen vaihteluiden kanssa.
Yhteenveto
Korkeasti täytettyjen polypropeeni (PP) -materiaalien tutkimus osoittaa, että kaikilla valituissa koeolosuhteissa testatuilla järjestelmillä on vertailukelpoiset syttymisajat.
Vertailumateriaalilla oli kuitenkin huomattavasti suurempi suurin lämmönvapautumisnopeus (HRRmax), noin kaksinkertainen modifioituihin PP-muunnoksiin verrattuna, mikä viittaa suurempaan palon voimakkuuteen.
Erot savunmuodostuksessa ovat erityisen selkeitä. Kaikilla modifioiduilla materiaaleilla on huomattavasti pienempi kokonaissavunmuodostus (TSR) verrattuna vertailujärjestelmään.
Myös suhteellinen massahäviö on modifioiduissa PP-variantteissa pienempi, noin 8–9 %, kuin standardimateriaalissa, jossa se on lähes 12 %, mikä viittaa materiaalin vähentyneeseen lämpöhajoamiseen.
Nämä tulokset osoittavat, että materiaalin koostumuksen kohdennetut muutokset voivat vähentää korkeasti täytettyjen PP-järjestelmien suurinta palointensiteettiä, savun muodostumista ja materiaalin hajoamista.
Kartiokalorimetriaa pidetään yhtenä tärkeimmistä menetelmistä polymeerimateriaalien palokäyttäytymisen arvioinnissa. Tämä johtuu siitä, että menetelmällä mitataan samanaikaisesti keskeisiä parametreja, kuten lämmönvapautumista, savunmuodostusta ja massahäviötä määritellyissä palo-olosuhteissa.
NETZSCH -standardi ( TCC 918 ) tarjoaa luotettavan ja toistettavan tavan tällaisten materiaaliin liittyvien erojen karakterisoimiseksi.