Grafit yang Dapat Diperluas - Solusi Berkelanjutan untuk Penghambat Api dalam Plastik

Pendahuluan

Flame retardants (FR) telah digunakan selama beberapa dekade untuk mengurangi atau bahkan menghilangkan risiko bahaya kebakaran pada komponen plastik untuk aplikasi seperti industri elektronik atau otomotif. Pada tahun-tahun awal, FR terhalogenasi adalah standar, tetapi semakin banyak pilihan non-halogenasi yang bermunculan di pasaran. Hal ini sebagian disebabkan oleh risiko tambahan menghirup asap beracun ketika FR terhalogenasi terbakar, tetapi juga karena perubahan regulasi dan preferensi konsumen dalam hal keberlanjutan. Inisiatif yang paling penting saat ini adalah Kesepakatan Hijau Uni Eropa, yang akan menghasilkan peluang yang kuat dan, berpotensi, kewajiban untuk beralih ke FR bebas halogen. Hal ini akan semakin mungkin terjadi ketika revisi RoHS (Pembatasan Zat Berbahaya) yang diantisipasi terjadi.

Ada berbagai solusi yang berbeda dan banyak polimer FR yang tersedia di pasaran. Salah satunya adalah grafit yang dapat diperluas, yang sebagian besar hanya dikaitkan dengan peningkatan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dan listrik. Namun, sifat uniknya juga dapat digunakan untuk meningkatkan keselamatan kebakaran. Untuk mencapai hal tersebut, large serpihan grafit alami diperlakukan dengan asam dan zat pengoksidasi. Karena ikatan yang relatif lemah (gaya Van der Waals) antara lapisan dibandingkan dengan yang ada di dalam lapisan, jarak yang dihasilkan antara lapisan memungkinkan garam yang dapat mengembang untuk membentuk lapisan perantara - sebuah proses yang disebut interkalasi. Garam-garam ini mengembang dan mendorong masing-masing lapisan grafit terpisah ketika terkena panas, yang menyebabkan peningkatan volume yang sangat besar. Dengan ini, grafit yang dapat diperluas menggabungkan dua mode keselamatan kebakaran sekaligus. Pertama, sifat mudah terbakar komponen berkurang; dan kedua, grafit yang dapat diperluas membentuk lapisan intumescent pelindung jika terjadi kebakaran. Oleh karena itu, mereka termasuk dalam kelas FR pembentuk penghalang.

Bergantung pada jenis polimer, ekspansi volume terjadi pada suhu yang berbeda, yang membatasi kelompok polimer yang dapat digunakan. Salah satu polimer khas yang menjadi bahan campuran FR adalah polietilena (PE), yang digunakan untuk selubung kawat dan kabel. Dalam aplikasi ekstrusi ini, viskositas lelehan harus dikontrol dengan baik untuk mencapai ketebalan yang homogen.

* Lapisan intumescent membengkak saat terkena panas dan membentuk busa isolasi yang melindungi substrat. Dengan reaksinya yang EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik, efek pendinginan selanjutnya dapat dicapai.

Oleh karena itu, jumlah penghambat api sangat penting, karena tidak hanya memengaruhi tingkat mudah terbakar yang dapat dicapai, tetapi juga kemampuan proses.

Untuk menyoroti efek dari jumlah grafit yang dapat diperluas yang berbeda sebagai penghambat api pada perilaku kebakaran PE, sampel dari senyawa yang berbeda dicetak dengan injeksi ke dalam pelat 100 x 100 x ⁴ mm3 dan diuji dalam TCC 918 (lihat gambar 1). Instrumen ini memungkinkan untuk menentukan pelepasan panas, kehilangan massa dan densitas serta komposisi gas asap.

Bagaimana Pengukuran Dilakukan

Sebelum memulai pengujian, sistem analisis gas (Siemens Oxymat/Ultramat) dikalibrasi dengan gas kalibrasi dan faktor-C diperiksa dengan menggunakan pembakar metana dengan pelepasan panas yang ditentukan. Penganalisis gas yang digunakan dilengkapi dengan opsi_O2 dan_CO2. Setelah memanaskan pemanas kerucut, rana ditutup dan tempat sampel horizontal dengan sampel dipasang ke pelat tanah. Kemudian, sistem secara otomatis membuka rana untuk memulai pengukuran. Gas yang diuapkan dinyalakan oleh sistem penyalaan otomatis. Kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel 1.

Bagaimana Pelepasan Panas, Kepadatan Asap, dan Kehilangan Massa Berhubungan?

Efek pertama yang diamati adalah pelepasan panas; lihat gambar 2. Meskipun pelepasan panas dimulai antara 2 dan 3 menit setelah memulai pengujian untuk semua sampel, dapat dilihat bahwa untuk PE tanpa penghambat api (garis biru), pelepasan panas meningkat dan mencapai maksimum sekitar 5 menit. Sebagai perbandingan, kedua sampel dengan grafit yang dapat diperluas menunjukkan pelepasan panas yang jauh lebih rendah dan efeknya bahkan lebih kuat dengan jumlah grafit yang dapat diperluas yang lebih tinggi (garis hijau). Hal ini menunjukkan sifat penghalang grafit setelah lapisan intumescent terbentuk.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Analisis penting lainnya adalah perkembangan asap selama kebakaran. Hal ini diukur dengan mendeteksi perubahan transmisi, di mana penurunan transmisi berkorelasi dengan peningkatan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan asap. Pada gambar 3, pengukuran 3 sampel dibandingkan. Pada semua kasus, transmisi mulai berkurang setelah sekitar 2 menit waktu pengujian. Dapat dilihat bahwa dalam kasus PE yang rapi, transmisi turun sekitar 30%. Pada kedua sampel dengan FR, penurunannya jauh lebih sedikit; kehilangan transmisi hanya 20% dengan 10 wt% grafit yang dapat diekspansi dan 10% dengan jumlah yang lebih tinggi yaitu 20 wt% grafit yang dapat diekspansi.

Pembakaran sampel dan pelepasan panas yang dihasilkan disertai dengan pengurangan berat sampel. Hasil yang diukur - lihat gambar 4 - juga sesuai dengan pelepasan dan transmisi panas yang diukur. Kehilangan massa tertinggi diamati untuk sampel PE yang rapi, diikuti oleh sampel dengan grafit yang dapat diekspansi sebesar 10 wt%. Kehilangan massa terendah diukur untuk sampel dengan jumlah FR tertinggi: 20 wt% grafit yang dapat diperluas.

Meskipun awal kehilangan massa dapat dideteksi setelah sekitar dua menit, perubahan berat badan pertama kali menjadi sangat jelas ketika penurunan transmisi yang signifikan dan peningkatan perpindahan panas diamati.

Apa Efek Lain yang Dapat Dimiliki Penghambat Api?

Meskipun jumlah FR yang lebih tinggi memiliki efek penurunan pada pelepasan panas, kehilangan massa, dan peningkatan sifat transmisi, perubahan viskositas perlu diselidiki dan pengaruhnya terhadap perilaku pemrosesan dievaluasi. Sama seperti kebanyakan aditif (tidak termasuk peningkat aliran), FR meningkatkan viskositas lelehan di berbagai laju geser; lihat gambar 5. Hal ini hanya dapat diseimbangkan sampai tingkat tertentu dengan meningkatkan suhu ekstrusi. Efek dari jumlah FR yang diberikan dapat dipelajari dalam rheometer kapiler sebagai fungsi laju geser.

Kesimpulan

Membandingkan sampel yang berbeda secara visual setelah pengujian menunjukkan bahwa PE yang tidak diberi perlakuan menunjukkan lebih banyak retakan dan lubang secara signifikan, menyediakan jalur untuk difusi oksigen. Lebih lanjut dapat dilihat bahwa perpindahan panas dan massa terbatas, bahkan ketika grafit yang dapat diekspansi terus meningkat. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa ketahanan api dari grafit yang dapat diperluas lebih disebabkan oleh aksi fisik daripada aksi kimiawi.

Studi ini menunjukkan bahwa grafit yang dapat diperluas adalah penghambat api yang cocok untuk PE dan bahwa, dalam kisaran tingkat konten FR yang diselidiki di sini, dimungkinkan untuk meningkatkan efek dengan menggunakan jumlah FR yang lebih tinggi.