はじめに
ポリプロピレン（PP）は、経済的に重要であり、加工も容易な熱可塑性樹脂であり、幅広い用途に利用されています。しかし、比較的可燃性が高いため、防火性能がより求められる用途での使用は制限されています。
燃焼挙動を改善するための定評のある手法として、鉱物系充填剤を高比率で配合することが挙げられます。火災発生時、これらは熱障壁として機能し、発熱量を低減して分解プロセスを遅らせると同時に、安定した残留構造の形成に寄与します。
本アプリケーションノートでは、充填率が60％の高充填PP材料4種について検討する。1つの材料を基準とし、材料1、2、3は組成を調整した改質変種である。
本研究の目的は、これらのPPシステムの火災および発煙挙動における差異を体系的に定量化し、材料の改質が着火挙動、発熱量、発煙量、および質量損失に及ぼす影響を評価することです。
測定条件
本試験は、ISO 5660-1に準拠して、TCC 918 製コーン熱量計（図1）を用いて実施された。
試料は水平に配置され、50 kW/m²の一定熱流密度に曝露された。測定中は、以下のパラメータが記録された：
- 着火までの時間（TOI）
- 最大発熱率（HRRmax）
- 総発煙量（TSR）
- 時間依存質量損失
主な試験パラメータを表1にまとめた。
表1：測定条件
| 試料ホルダー | 水平 |
| 熱流束 | 50kW/m2 |
| 公称流量 | 24.0 l/s |
| コーンヒーターまでの距離 | 25 mm |
| 試料質量 | 標準：48.8 g 材料 1：38.3 g 材料 2：41.9 g 材料3：42.3 g |
図2は、測定前の試料ホルダー内の試料を示している。
測定条件
着火挙動
試験対象となったすべての材料は、約21～25秒という狭い時間範囲内で着火した。
これらの着火時間が非常に類似していることは、選定された試験条件下において、さまざまな材料改質がPPシステムの初期の加熱および分解挙動にほとんど、あるいは全く影響を与えていないことを示唆している。
発熱量
発熱率¹は、材料の火災強度を評価するための重要なパラメータである。対応する発熱率（HRR）曲線を図3に示す。
1発熱率（HRR）：燃焼中に単位時間および単位面積あたりに放出されるエネルギーの率。火災の強度を評価する上で最も重要なパラメータの一つとされており、酸素消費の原理に基づいたコーン熱量計を用いて測定される。
参照材料は、発熱率において著しく顕著なピークを示している。最大発熱率（HRRmax）は、改質PP変種の約2倍である。
これに対し、材料1、2、3は、HRRmaxの値が著しく低く、火災の進行全体としてより均一な傾向を示した。これは、改質された材料組成が、火災の初期段階における火災強度を効果的に抑制していることを示唆している。
初期のピークを過ぎると、各材料の放熱曲線は収束する。これは、配合が異なっても、調査対象の材料が全体として類似した燃焼挙動を示すことを示唆している。
発煙量
試験対象の材料バリエーション間で最も顕著な違いが見られるのは、発煙量であり、これは火災発生時の安全上極めて重要なパラメータである（図4参照）。
標準材料は、総発煙量が最も多い。対照的に、3種類の改質PPはいずれも、火災の合計時間を通じて総発煙量が大幅に低減されている。
材料1、2、3のTSR²値は、参照材料の値よりも著しく低い。これは、材料の組成に特定の変更を加えることで、発煙量を低減できることを示している。
この結果は、高充填PPシステムの着火挙動に著しい影響を与えることなく、配合を適切に改質することで煙の発生を最適化できることを示している。
2TSR（Total Smoke Release）：試験中の総発煙量。火災の合計時間にわたる発煙量を定量的に評価するための重要なパラメータである。
質量損失
相対質量損失は、図5に示すように、火災にさらされた際の材料の熱的劣化の指標となる。データをパーセンテージで表すことで、初期試料質量の違いによる影響を補正し、劣化曲線の直接比較が可能となる。
3種類の改質ポリプロピレン（PP）材料（材料1～3）は、非常に類似した相対質量損失曲線を示している。3つの変種すべてにおいて、最大質量損失は約8～9％である。
対照的に、標準材料は12％近くと、著しく高い相対質量損失を示している。したがって、選定された試験条件下では、改質PP材料よりも大きな熱分解が生じている。
改質材料の相対質量損失が低いことは、その高い鉱物充填剤含有量と一致している。これは、ポリマー含有量を低減させ、安定した残留物の形成に寄与する可能性がある。
材料1～3の曲線が類似していることは、材料組成を改質することで、これらの変種において同等の熱分解挙動が得られることを示している。
測定後の試料の状態
測定完了後、試験対象となったすべての材料において、高充填PP系で一般的である顕著な残留物の形成が認められた（図6参照）。
表面構造や炭化の程度の違いは、火災の初期段階で観察される変化と相関関係がある。
概要
高充填ポリプロピレン（PP）材料の調査によると、選定された試験条件下で試験されたすべてのシステムにおいて、着火時間は同程度であることが示された。
しかし、参照材料は、改質PPの各バリエーションの約2倍という、著しく高い最大発熱率（HRRmax）を示しており、火災の強度が高いことを示唆している。
発煙量の違いは特に顕著です。すべての改質材料は、参照システムと比較して、総発煙量（TSR）が大幅に減少しています。
相対的な質量損失も、改質 PP バリエーションでは 8～9% 程度と、標準材料の 12% 近くよりも低く、材料の熱分解が抑制されていることを示唆しています。
これらの結果は、材料組成を的を絞って調整することで、高充填PPシステムの最大火災強度、発煙量、および材料の熱分解を低減できることを示しています。
コーン熱量測定法は、ポリマー材料の火災挙動を評価する上で最も重要な手法の一つと考えられています。これは、定義された火災条件下で、発熱量、発煙量、質量損失などの主要なパラメータを同時に測定できるためです。
NETZSCH （TCC 918 ）は、こうした材料に関連する差異を評価するための、信頼性が高く再現性のある手段を提供します。