소개
난연제(FR)는 전자 또는 자동차 산업과 같은 분야에서 플라스틱 부품의 화재 위험을 줄이거나 없애기 위해 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 초기에는 할로겐계 FR이 표준이었지만 점점 더 많은 비할로겐계 옵션이 시장에 등장하고 있습니다. 이는 부분적으로는 할로겐 FR이 연소할 때 유독 가스를 흡입할 위험이 증가했기 때문이기도 하지만, 지속 가능성에 대한 규제와 소비자 선호도의 변화 때문이기도 합니다. 현재 가장 중요한 이니셔티브는 EU의 그린 딜이며, 이는 할로겐 프리 FR로 전환할 수 있는 강력한 기회와 잠재적으로 의무를 가져올 것입니다. 예상되는 유해물질 사용제한 지침(RoHS)의 개정이 이루어지면 그 가능성은 더욱 높아질 것입니다.
시중에는 다양한 솔루션과 수많은 FR 폴리머가 나와 있습니다. 그 중 하나인 팽창성 흑연은 대부분 열 및 전기 전도도 증가와 관련이 있는 것으로만 알려져 있습니다. 그러나 이 고유의 특성을 활용하여 화재 안전성을 높일 수도 있습니다. 이를 위해 large 천연 흑연 플레이크는 산과 산화제로 처리됩니다. 층 내부의 결합에 비해 층 사이의 결합(반데르발스 힘)이 상대적으로 약하기 때문에 층 사이의 거리가 멀어지면 팽창 가능한 염이 중간층을 형성하게 되는데, 이를 인터칼레이션이라고 합니다. 이 염은 열을 받으면 팽창하여 개별 흑연 층을 분리시켜 부피가 크게 증가합니다. 따라서 팽창성 흑연은 두 가지 화재 안전 모드를 한 번에 결합합니다. 첫째, 부품의 가연성이 감소하고 둘째, 팽창성 흑연은 화재 발생 시 보호용 팽창층을 형성합니다. 따라서 배리어포밍 FR의 종류에 속합니다.
폴리머 유형에 따라 , 부피 팽창은 다른 온도에서 발생하므로 사용할 수 있는 폴리머 그룹이 제한됩니다. FR이 합성되는 대표적인 폴리머 중 하나는 전선 및 케이블 피복에 사용되는 폴리에틸렌(PE)입니다. 이 압출 응용 분야에서는 균일한 두께를 얻기 위해 용융물의 점도를 잘 제어해야 합니다.
* 팽창성 코팅은 열에 노출되면 팽창하여 기판을 보호하는 절연 폼을 형성합니다. 흡열 반응에 의해 냉각 효과도 얻을 수 있습니다.
따라서 난연제의 양은 달성 가능한 가연성 수준뿐만 아니라 가공성에도 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.
난연제로서 다양한 양의 팽창성 흑연이 PE의 화재 거동에 미치는 영향을 강조하기 위해 다양한 화합물의 샘플을 100 x 100 x 4mm3 플레이트에 사출 성형하여 TCC 918에서 테스트했습니다(그림 1 참조). 이 기기를 통해 열 방출, 질량 손실, 연기 가스의 밀도 및 조성을 측정할 수 있습니다.
측정은 어떻게 수행되나요?
테스트를 시작하기 전에 가스 분석 시스템(지멘스 옥시매트/울트라매트)을 보정 가스로 보정하고 열 방출이 정의된 메탄 버너를 사용하여 C-인자를 확인했습니다. 사용된 가스 분석기에는 O2와CO2 옵션이 장착되어 있었습니다. 콘 히터를 가열한 후 셔터를 닫고 시료가 담긴 수평 시료 홀더를 바닥 판에 장착했습니다. 그런 다음 측정 시작을 위해 시스템이 자동으로 셔터를 제거했습니다. 증발된 가스는 자동 점화 시스템에 의해 점화되었습니다. 측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다.
열 방출, 연기 밀도 및 질량 손실( )은 어떻게 연결되나요?
가장 먼저 관찰되는 효과는 열 방출입니다(그림 2 참조). 모든 샘플에서 테스트 시작 후 2분에서 3분 사이에 열 방출이 시작되지만, 난연제가 없는 PE(파란색 선)의 경우 열 방출이 증가하여 약 5분에 최대치에 도달하는 것을 볼 수 있습니다. 이에 비해 팽창성 흑연을 사용한 두 샘플은 열 방출이 훨씬 낮고 팽창성 흑연의 양이 많을수록 그 효과가 더욱 강해집니다(녹색 선). 이는 팽창성 층이 형성된 후 흑연의 차단 특성을 나타냅니다.
표 1: 측정 조건
| 샘플 호더 | 수평 | |
| 열유속 | 50 kW/m² | |
| 공칭 덕트 유량 | 24.0 l/s | |
또 다른 중요한 분석은 화재 발생 시 연기의 발생입니다. 이는 투과율의 변화를 감지하여 측정하는데, 투과율 감소는 연기 밀도 증가와 상관관계가 있습니다. 그림 3에서는 세 가지 샘플의 측정값을 비교합니다. 모든 경우에서 약 2분간의 테스트 시간이 지나면 투과율이 감소하기 시작합니다. 깔끔한 PE의 경우 투과율이 약 30% 감소하는 것을 볼 수 있습니다. FR을 사용한 두 샘플 모두에서 투과율 감소가 훨씬 적으며, 10wt% 팽창 흑연은 20%, 더 많은 양의 20wt% 팽창 흑연은 10%의 투과 손실에 불과합니다.
시료의 연소와 그에 따른 열 방출은 시료의 무게 감소를 동반합니다. 측정된 결과(그림 4 참조)는 측정된 열 방출 및 투과율과도 잘 일치합니다. 깔끔한 PE 샘플에서 가장 높은 질량 손실이 관찰되었고, 그다음으로 10wt% 팽창성 흑연이 포함된 샘플이 그 뒤를 이었습니다. 질량 손실이 가장 낮은 샘플은 FR이 가장 높은 20wt% 팽창성 흑연으로 측정되었습니다.
체중 감소의 시작은 약 2분 후에 감지할 수 있지만, 투과율의 현저한 감소와 열 전달의 증가가 관찰되면 체중의 변화가 먼저 뚜렷하게 드러납니다.
난연제는 다른 어떤 영향을 미칠 수 있나요?
FR의 양이 많을수록 열 방출, 질량 손실 및 투과 특성 증가에 미치는 영향은 감소하지만, 점도의 변화를 조사하고 가공 거동에 미치는 영향을 평가해야 합니다. 대부분의 첨가제(흐름 개선제 제외)와 마찬가지로 FR은 광범위한 전단 속도에 걸쳐 용융물의 점도를 증가시킵니다(그림 5 참조). 이는 압출 온도를 높여야만 어느 정도 균형을 맞출 수 있습니다. 주어진 FR 양의 효과는 모세관 레오미터에서 전단 속도에 따라 연구할 수 있습니다.
결론
테스트 후 서로 다른 샘플을 육안으로 비교하면 처리되지 않은 PE가 훨씬 더 많은 균열과 구멍을 보여 산소 확산의 경로를 제공합니다. 또한 팽창성 흑연이 계속 증가하더라도 열과 질량 전달이 제한된다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 팽창성 흑연의 난연성은 화학적 작용보다는 물리적 작용에 의해 발생한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
이 연구는 팽창성 흑연이 PE에 적합한 난연제이며, 여기서 조사한 FR 함량 범위 내에서 더 많은 양의 FR을 사용하여 효과를 높일 수 있음을 보여줍니다.