Expandeerbaar grafiet - een duurzame oplossing voor vlamvertragers in kunststoffen

Inleiding

Vlamvertragers (FR's) worden al tientallen jaren gebruikt om het risico op brandgevaar in kunststofonderdelen voor bijvoorbeeld de elektronica- of auto-industrie te verminderen of zelfs te elimineren. In de beginjaren waren gehalogeneerde FR's standaard, maar er komen steeds meer niet-gehalogeneerde opties op de markt. Dit komt deels door de extra risico's van het inademen van giftige dampen wanneer gehalogeneerde FR's branden, maar ook door de veranderende regelgeving en consumentenvoorkeuren als het gaat om duurzaamheid. Het belangrijkste initiatief op dit moment is de Green Deal van de EU, die zal leiden tot sterke mogelijkheden en mogelijk verplichtingen om over te stappen op halogeenvrije FRs. Dit zal nog waarschijnlijker worden wanneer de verwachte herziening van de RoHS (Restriction of Hazardous Substances) plaatsvindt.

Er zijn verschillende oplossingen en talrijke FR-polymeren op de markt. Een daarvan is expandeerbaar grafiet, dat door de meesten alleen wordt geassocieerd met verhoogde thermische en Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid. De unieke eigenschappen ervan kunnen echter ook worden gebruikt om de brandveiligheid te vergroten. Om dat te bereiken worden large vlokken natuurlijk grafiet behandeld met zuren en oxiderende middelen. Door de relatief zwakke bindingen (Van der Waals krachten) tussen de lagen in vergelijking met die binnen een laag, zorgt de resulterende afstand tussen de lagen ervoor dat expandeerbare zouten een tussenlaag kunnen vormen - een proces dat intercalatie wordt genoemd. Deze zouten zetten uit en drijven de afzonderlijke grafietlagen uit elkaar wanneer ze aan hitte worden blootgesteld, wat leidt tot een enorme volumetoename. Hierdoor combineert expandeerbaar grafiet twee manieren van brandveiligheid tegelijk. Ten eerste wordt de brandbaarheid van de component verminderd en ten tweede vormt expansiegrafiet een beschermende opzwellende laag in geval van brand. Daarom behoren ze tot de klasse van barrièrevormende FR's.

Afhankelijk van het polymeertype vindt de volume-expansie plaats bij verschillende temperaturen, wat de groep polymeren waarvoor het kan worden gebruikt beperkt. Een van de typische polymeren waarin FR's worden gecompoundeerd, is polyethyleen (PE), dat wordt gebruikt voor draad- en kabelomhulsels. Bij deze extrusietoepassing moet de viscositeit van de smelt goed onder controle gehouden worden om homogene diktes te verkrijgen.

* Opzwellende coatings zwellen op bij blootstelling aan hitte en vormen een isolerend schuim dat het substraat beschermt. Door endotherme reacties kan bovendien een koelend effect worden bereikt.

Daarom is de hoeveelheid vlamvertrager van cruciaal belang, omdat die niet alleen van invloed is op de haalbare brandbaarheidsniveaus, maar ook op de verwerkbaarheid.

Om het effect van verschillende hoeveelheden expandeerbaar grafiet als vlamvertrager op het brandgedrag van PE te benadrukken, werden monsters van de verschillende compounds spuitgegoten tot platen van 100 x 100 x ⁴ mm3 en getest in de TCC 918 (zie figuur 1). Met dit instrument kunnen de warmteafgifte, het massaverlies en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en samenstelling van het rookgas worden bepaald.

Hoe wordt de meting uitgevoerd?

Voordat de tests begonnen, werd het gasanalysesysteem (Siemens Oxymat/Ultramat) gekalibreerd met kalibratiegassen en werd de C-factor gecontroleerd met behulp van de methaanbrander met een gedefinieerde warmteafgifte. De gebruikte gasanalysator was uitgerust met een _O2- en een_CO2-optie. Na het opwarmen van de conusverwarmer werd de sluiter gesloten en werd de horizontale monsterhouder met het monster op de grondplaat gemonteerd. Daarna verwijderde het systeem automatisch de sluiter voor het begin van de meting. De verdampte gassen werden ontstoken door het automatische ontstekingssysteem. De meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.

Hoe zijn warmteafgifte, rookdichtheid en massaverlies met elkaar verbonden?

Het eerste effect dat kan worden waargenomen is de warmteafgifte; zie figuur 2. Hoewel de warmteafgifte bij alle monsters tussen 2 en 3 minuten na het begin van de test begint, is te zien dat bij PE zonder vlamvertrager (blauwe lijn) de warmteafgifte toeneemt en rond 5 minuten een maximum bereikt. Ter vergelijking: beide monsters met expandeerbaar grafiet laten een veel lagere warmteafgifte zien en het effect is zelfs sterker bij een grotere hoeveelheid expandeerbaar grafiet (groene lijn). Dit wijst op de barrière-eigenschappen van het grafiet zodra de opzwellende laag is gevormd.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Een andere belangrijke analyse is de rookontwikkeling tijdens een brand. Dit wordt gemeten door een verandering in transmissie te detecteren, waarbij een verminderde transmissie correleert met een toenemende rookdichtheid. In figuur 3 worden de metingen van de 3 monsters vergeleken. In alle gevallen begint de transmissie te verminderen na ongeveer 2 minuten testtijd. Het is te zien dat in het geval van zuiver PE de transmissie met ongeveer 30% afneemt. Bij beide monsters met FR is de daling aanzienlijk minder; het transmissieverlies is slechts 20% bij 10 wt% uitbreidbaar grafiet en 10% bij de hogere hoeveelheid van 20 wt% uitbreidbaar grafiet.

Het verbranden van het monster en de warmte die daarbij vrijkomt, gaat gepaard met een gewichtsvermindering van de monsters. De gemeten resultaten - zie figuur 4 - komen ook goed overeen met de gemeten warmteafgifte en transmissie. Het hoogste massaverlies wordt waargenomen bij het zuivere PE-monster, gevolgd door het monster met 10 wt% uitbreidbaar grafiet. Het laagste massaverlies wordt gemeten voor het monster met de grootste hoeveelheid FR: 20 wt% uitbreidbaar grafiet.

Terwijl het begin van massaverlies kan worden waargenomen na ongeveer twee minuten, wordt de verandering in gewicht het eerst duidelijk wanneer de significante daling in transmissie en toename in warmteoverdracht worden waargenomen.

Welke andere effecten kunnen vlamvertragers hebben?

Hoewel de hogere hoeveelheden FR een afnemend effect hebben op de warmteafgifte, het massaverlies en de toename van de transmissie-eigenschap, moet de verandering in viscositeit worden onderzocht en het effect ervan op het verwerkingsgedrag worden geëvalueerd. Net als de meeste additieven (met uitzondering van vloeiversterkers), verhogen FR's de viscositeit van de smelt over een breed bereik van afschuifsnelheden; zie figuur 5. Dit kan slechts tot op zekere hoogte worden gecompenseerd. Dit kan alleen tot op zekere hoogte worden gecompenseerd door de extrusietemperatuur te verhogen. Het effect van een bepaalde hoeveelheid FR kan worden bestudeerd in een capillaire reometer als functie van de afschuifsnelheid.

Conclusie

Visuele vergelijking van de verschillende monsters na de test laat zien dat het onbehandelde PE aanzienlijk meer scheuren en gaten vertoont, waardoor er een weg is voor zuurstofdiffusie. Verder is te zien dat de warmte- en massaoverdracht beperkt zijn, zelfs als het expandeerbaar grafiet blijft toenemen. Er kan dus worden geconcludeerd dat de brandvertraging van expandeerbaar grafiet meer het gevolg is van een fysische dan van een chemische werking.

Het onderzoek laat zien dat expansiegrafiet een geschikte vlamvertrager voor PE is en dat het binnen het hier onderzochte bereik van FR-gehalte mogelijk is om het effect te vergroten door grotere hoeveelheden FR te gebruiken.