Wprowadzenie
Środki zmniejszające palność (FR) są stosowane od dziesięcioleci w celu zmniejszenia lub nawet wyeliminowania ryzyka pożaru w komponentach z tworzyw sztucznych w takich zastosowaniach, jak przemysł elektroniczny lub motoryzacyjny. We wczesnych latach standardem były halogenowane FR, ale na rynku pojawia się coraz więcej opcji bezhalogenowych. Wynika to po części z dodatkowego ryzyka związanego z wdychaniem toksycznych oparów podczas spalania halogenowanych FR, ale także ze zmian w przepisach i preferencjach konsumentów, jeśli chodzi o zrównoważony rozwój. Najważniejszą inicjatywą jest obecnie Zielony Ład UE, który zaowocuje dużymi możliwościami i potencjalnie obowiązkami przejścia na bezhalogenowe FR. Będzie to jeszcze bardziej prawdopodobne, gdy nastąpi oczekiwana rewizja dyrektywy RoHS (Restriction of Hazardous Substances).
Na rynku dostępnych jest wiele różnych rozwiązań i polimerów FR. Jednym z nich jest grafit ekspandowalny, który większości kojarzy się jedynie ze zwiększoną przewodnością cieplną i elektryczną. Jednak jego unikalne właściwości można również wykorzystać do zwiększenia bezpieczeństwa pożarowego. W tym celu płatki large naturalnego grafitu poddawane są działaniu kwasów i środków utleniających. Ze względu na stosunkowo słabe wiązania (siły Van der Waalsa) między warstwami w porównaniu do tych wewnątrz warstwy, wynikowa odległość między warstwami pozwala rozszerzalnym solom na utworzenie warstwy pośredniej - proces zwany interkalacją. Sole te rozszerzają się i rozdzielają poszczególne warstwy grafitu pod wpływem ciepła, prowadząc do ogromnego wzrostu objętości. Grafit ekspandowalny łączy w sobie dwa tryby bezpieczeństwa pożarowego jednocześnie. Po pierwsze, zmniejsza się palność komponentu, a po drugie, grafit ekspandowalny tworzy ochronną warstwę pęczniejącą w przypadku pożaru. Dlatego też należą one do klasy barierowych FR.
W zależności od rodzaju polimeru, Rozszerzalność objętościowaObjętość gazu, ciała stałego lub cieczy zmienia się, jeśli zmienia się temperatura, ciśnienie lub siły działające na ten gaz/ciało stałe/ciecz. W przypadku analizy termicznej analizujemy zmiany zależne od temperatury.rozszerzalność objętościowa występuje w różnych temperaturach, co ogranicza grupę polimerów, do których może być stosowana. Jednym z typowych polimerów, do których mieszane są FR, są polietyleny (PE), które są stosowane do powlekania przewodów i kabli. W tym zastosowaniu wytłaczania lepkość stopu musi być dobrze kontrolowana, aby uzyskać jednorodną grubość.
* Powłoki pęczniejące pęcznieją pod wpływem ciepła i tworzą piankę izolacyjną, która chroni podłoże. Dzięki reakcjom endotermicznym można ponadto uzyskać efekt chłodzenia.
Dlatego ilość środka zmniejszającego palność ma kluczowe znaczenie, ponieważ wpływa nie tylko na osiągalne poziomy palności, ale także na przetwarzalność.
Aby podkreślić wpływ różnych ilości rozszerzalnego grafitu jako środka zmniejszającego palność na zachowanie PE podczas pożaru, próbki różnych związków zostały uformowane wtryskowo w płytki o wymiarach 100 x 100 x 4 mm3 i przetestowane w TCC 918 (patrz rysunek 1). Urządzenie pozwala na określenie wydzielania ciepła, utraty masy oraz gęstości i składu dymu.
Jak przeprowadzany jest pomiar?
libralibraPrzed rozpoczęciem testów, system analizy gazu (Siemens Oxymat/Ultramat) został napełniony gazami i sprawdzono współczynnik C za pomocą palnika metanowego z określonym wydzielaniem ciepła. Zastosowany analizator gazu był wyposażony w opcję O2 iCO2. Po podgrzaniu grzałki stożkowej zamknięto przesłonę, a poziomy uchwyt próbki z próbką zamontowano na płycie szlifierskiej. Następnie system automatycznie usuwał przesłonę w celu rozpoczęcia pomiaru. Odparowane gazy zostały zapalone przez automatyczny układ zapłonowy. Warunki pomiaru podsumowano w tabeli 1.
W jaki sposób uwalnianie ciepła, gęstość dymu i utrata masy są ze sobą powiązane?
Pierwszym obserwowanym efektem jest wydzielanie ciepła; patrz rysunek 2. Podczas gdy wydzielanie ciepła rozpoczyna się między 2 a 3 minutą po rozpoczęciu testu dla wszystkich próbek, można zauważyć, że w przypadku PE bez środka zmniejszającego palność (niebieska linia) wydzielanie ciepła wzrasta i osiąga maksimum po około 5 minutach. Dla porównania, obie próbki z rozszerzalnym grafitem wykazują znacznie niższe wydzielanie ciepła, a efekt jest jeszcze silniejszy przy większej ilości rozszerzalnego grafitu (zielona linia). Wskazuje to na właściwości barierowe grafitu po utworzeniu warstwy pęczniejącej.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Przykładowy hoder | Poziomy | |
| Strumień ciepła | 50 kW/m² | |
| Nominalne natężenie przepływu w kanale | 24.0 l/s | |
Inną ważną analizą jest rozwój dymu podczas pożaru. Jest to mierzone poprzez wykrywanie zmiany transmisji, gdzie zmniejszona transmisja koreluje ze wzrostem gęstości dymu. Na rysunku 3 porównano pomiary 3 próbek. We wszystkich przypadkach transmisja zaczyna się zmniejszać po około 2 minutach testu. Można zauważyć, że w przypadku czystego PE transmisja spada o około 30%. W obu próbkach z FR spadek ten jest znacznie mniejszy; utrata transmisji wynosi tylko 20% przy 10% wag. rozszerzalnego grafitu i 10% przy większej ilości 20% wag. rozszerzalnego grafitu.
Spalaniu próbki i wynikającemu z niego wydzielaniu ciepła towarzyszy zmniejszenie masy próbek. Wyniki pomiarów - patrz rysunek 4 - są również w dobrej zgodności ze zmierzonym wydzielaniem i przenoszeniem ciepła. Największy ubytek masy zaobserwowano dla czystej próbki PE, a następnie próbki z 10% wag. rozszerzalnego grafitu. Najniższa utrata masy została zmierzona dla próbki z największą ilością FR: 20% wag. grafitu ekspandowalnego.
Podczas gdy początek utraty masy można wykryć po około dwóch minutach, zmiana masy staje się najpierw wyraźnie widoczna, gdy obserwuje się znaczny spadek transmisji i wzrost wymiany ciepła.
Jakie inne skutki mogą mieć środki zmniejszające palność?
Podczas gdy wyższe ilości FR mają malejący wpływ na uwalnianie ciepła, utratę masy i wzrost właściwości transmisyjnych, należy zbadać zmianę lepkości i ocenić jej wpływ na zachowanie podczas przetwarzania. Podobnie jak większość dodatków (z wyjątkiem wzmacniaczy przepływu), FR zwiększają lepkość stopu w szerokim zakresie szybkości ścinania; patrz rysunek 5. Można to zrównoważyć tylko do pewnego stopnia poprzez zwiększenie temperatury wytłaczania. Wpływ dowolnej ilości FR można zbadać w reometrze kapilarnym w funkcji szybkości ścinania.
Wnioski
Wizualne porównanie różnych próbek po teście pokazuje, że nieobrobiony PE wykazuje znacznie więcej pęknięć i otworów, zapewniając ścieżkę dla dyfuzji tlenu. Ponadto można zauważyć, że przenoszenie ciepła i masy jest ograniczone, nawet gdy rozszerzalny grafit nadal rośnie. Można zatem stwierdzić, że ognioodporność grafitu ekspandowalnego wynika bardziej z działania fizycznego niż chemicznego.
Badanie pokazuje, że grafit ekspandowalny jest odpowiednim środkiem zmniejszającym palność dla PE i że w badanym zakresie poziomów zawartości FR możliwe jest zwiększenie efektu poprzez zastosowanie większych ilości FR.