Inleiding
Polypropyleen (PP) is een thermoplast die zowel economisch belangrijk als gemakkelijk te verwerken is en een breed scala aan toepassingen biedt. Vanwege de relatief hoge brandbaarheid is het gebruik ervan echter beperkt in toepassingen waar verhoogde brandveiligheid vereist is.
Een beproefde strategie om het brandgedrag te verbeteren, is het gebruik van hoge percentages minerale vulstoffen. In geval van brand kunnen deze fungeren als een thermische barrière, waardoor de warmteafgifte wordt verminderd en het ontledingsproces wordt vertraagd, terwijl ze tegelijkertijd bijdragen aan de vorming van stabiele reststructuren.
In deze toepassingsnota worden vier sterk gevulde PP-materialen met een vulstofgehalte van 60% onderzocht. Eén materiaal dient als referentie, terwijl de materialen 1, 2 en 3 gemodificeerde varianten met aangepaste samenstellingen vertegenwoordigen.
Het onderzoek heeft tot doel de verschillen in het brand- en rookgedrag van deze PP-systemen systematisch te kwantificeren en de invloed van de materiaalaanpassingen op het ontstekingsgedrag, de warmteafgifte, de rookontwikkeling en het massaverlies te evalueren.
Meetomstandigheden
Het onderzoek werd uitgevoerd met de Cone Calorimeter van de TCC 918 (figuur 1) volgens ISO 5660-1.
De monsters werden horizontaal geplaatst en blootgesteld aan een constante warmtestroomdichtheid van 50 kW/m². Tijdens de meting werden de volgende parameters geregistreerd:
- Tijd tot ontbranding (TOI)
- Maximale warmteafgifte (HRRmax)
- Totale rookafgifte (TSR)
- Tijdsafhankelijk massaverlies
De belangrijkste testparameters zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Horizontaal |
| Warmtestroom | 50kW/m² |
| Nominaal debiet | 24,0 l/s |
| Afstand tot de kegelverwarmer | 25 mm |
| Massa's van de monsters | Standaard: 48,8 g Materiaal 1: 38,3 g Materiaal 2: 41,9 g Materiaal 3: 42,3 g |
Figuur 2 toont de monsters in de monsterhouder vóór de meting.
Meetomstandigheden
Ontstekingsgedrag
Alle geteste materialen ontstaken binnen een kort tijdsbestek van ongeveer 21 tot 25 seconden.
Deze zeer vergelijkbare ontbrandingstijden wijzen erop dat de verschillende materiaalaanpassingen weinig tot geen invloed hebben op het aanvankelijke thermische opwarmings- en ontledingsgedrag van de PP-systemen onder de gekozen testomstandigheden.
Warmteafgifte
De warmteafgifte1 is een belangrijke parameter voor het beoordelen van de brandintensiteit van materialen. De bijbehorende HRR-curves zijn weergegeven in figuur 3.
1Warmteafgifte(HRR): De hoeveelheid energie die tijdens verbranding per tijdseenheid en oppervlakte-eenheid vrijkomt. Deze parameter wordt beschouwd als een van de belangrijkste parameters voor het beoordelen van de brandintensiteit en wordt bepaald met behulp van een kegelcalorimeter op basis van het zuurstofverbruiksprincipe.
Het referentiemateriaal vertoont een aanzienlijk meer uitgesproken piek in de warmteafgifte. De maximale warmteafgifte (HRRmax) is ongeveer twee keer zo hoog als die van de gemodificeerde PP-varianten.
Materialen 1, 2 en 3 bereikten daarentegen aanzienlijk lagereHRRmax-waarden en vertoonden een gelijkmatiger verloop van de brandontwikkeling. Dit suggereert dat de gemodificeerde materiaalsamenstelling de brandintensiteit in de vroege fase van een brand effectief beperkt.
Na het aanvankelijke maximum lopen de warmteafgavecurves van de verschillende materialen naar elkaar toe. Dit geeft aan dat de onderzochte materialen, ondanks hun verschillende samenstellingen, een vergelijkbaar algemeen verbrandingsgedrag vertonen.
Rookontwikkeling
De belangrijkste verschillen tussen de geteste materiaalvarianten doen zich voor bij de rookontwikkeling, een cruciale veiligheidsgerelateerde parameter in geval van brand (zie figuur 4).
Het standaardmateriaal vertoont de hoogste totale rookontwikkeling. Daarentegen vertonen alle drie de gemodificeerde PP-varianten gedurende de gehele brandduur een aanzienlijk lagere totale rookontwikkeling.
De TSR²-waarden van de materialen 1, 2 en 3 liggen aanzienlijk lager dan die van het referentiemateriaal. Hieruit blijkt dat de rookontwikkeling kan worden verminderd door specifieke aanpassingen aan de samenstelling van het materiaal aan te brengen.
De resultaten tonen aan dat de rookontwikkeling kan worden geoptimaliseerd door middel van passende aanpassingen aan de samenstelling, zonder dat dit een significante invloed heeft op het ontstekingsgedrag van sterk gevulde PP-systemen.
2TSR(Total Smoke Release): Totale rookontwikkeling tijdens de test; een integrale parameter voor de kwantitatieve beoordeling van de rookproductie gedurende de gehele brandduur.
Massaverlies
Het relatieve massaverlies is een maat voor de thermische afbraak van materialen tijdens blootstelling aan brand, zoals weergegeven in figuur 5. Door de gegevens uit te drukken in procenten wordt de invloed van verschillende initiële monstermassa's gecompenseerd en kunnen de afbraakcurves rechtstreeks met elkaar worden vergeleken.
De drie gemodificeerde polypropyleen (PP)-materialen (materialen 1 tot en met 3) vertonen zeer vergelijkbare relatieve massaverliescurves. Het maximale massaverlies voor alle drie de varianten bedraagt ongeveer 8 tot 9%.
Het standaardmateriaal vertoont daarentegen een aanzienlijk hoger relatief massaverlies van bijna 12%. Daarom ondergaat het onder de gekozen testomstandigheden een grotere thermische afbraak dan de gemodificeerde PP-varianten.
Het lagere relatieve massaverlies van de gemodificeerde materialen komt overeen met hun hoge gehalte aan minerale vulstoffen, wat het polymeergehalte verlaagt en kan bijdragen aan een stabiele residuvorming.
De vergelijkbare krommen voor materialen 1 tot en met 3 geven aan dat het aanpassen van de materiaalsamenstelling bij deze varianten leidt tot vergelijkbaar thermisch afbraakgedrag.
Toestand van de monsters na de meting
Na afloop van de metingen vertonen alle geteste materialen aanzienlijke restvorming, wat kenmerkend is voor PP-systemen met een hoog vulstofgehalte (zie figuur 6).
Verschillen in oppervlaktestructuur en mate van verkoling hangen samen met de waargenomen variaties in de vroege stadia van de brand.
Samenvatting
Uit het onderzoek naar de sterk gevulde polypropyleen (PP)-materialen blijkt dat alle systemen die onder de gekozen testomstandigheden zijn getest, vergelijkbare ontbrandingstijden vertonen.
Het referentiemateriaal vertoonde echter een aanzienlijk hogere maximale warmteafgifte (HRRmax), ongeveer het dubbele van die van de gemodificeerde PP-varianten, wat wijst op een hogere brandintensiteit.
De verschillen in rookontwikkeling zijn bijzonder uitgesproken. Alle gemodificeerde materialen vertonen een aanzienlijk lagere totale rookafgifte (TSR) in vergelijking met het referentiesysteem.
Het relatieve massaverlies is bij de gemodificeerde PP-varianten, met ongeveer 8 tot 9%, eveneens lager dan bij het standaardmateriaal, met bijna 12%, wat duidt op een verminderde thermische afbraak van het materiaal.
Deze resultaten tonen aan dat gerichte aanpassingen aan de materiaalsamenstelling de maximale brandintensiteit, rookontwikkeling en materiaalaantasting van sterk gevulde PP-systemen kunnen verminderen.
Kegelcalorimetrie wordt beschouwd als een van de belangrijkste methoden voor het beoordelen van het brandgedrag van polymeermaterialen. Dit komt doordat deze methode tegelijkertijd belangrijke parameters meet, zoals warmteafgifte, rookontwikkeling en massaverlies onder gedefinieerde brandomstandigheden.
De NETZSCH TCC 918 biedt een betrouwbare en reproduceerbare manier om dergelijke materiaalgerelateerde verschillen te karakteriseren.