Wprowadzenie
Polipropylen (PP) to tworzywo termoplastyczne, które ma zarówno duże znaczenie gospodarcze, jak i jest łatwe w obróbce, co zapewnia mu szeroki zakres zastosowań. Jednak ze względu na stosunkowo wysoką palność jego wykorzystanie w zastosowaniach wymagających podwyższonego bezpieczeństwa przeciwpożarowego jest ograniczone.
Sprawdzoną strategią poprawy właściwości ogniowych jest stosowanie dużych ilości wypełniaczy mineralnych. W przypadku pożaru mogą one pełnić rolę bariery termicznej, ograniczając wydzielanie ciepła i spowalniając proces rozkładu, a jednocześnie przyczyniając się do tworzenia stabilnych struktur resztkowych.
W niniejszej nocie aplikacyjnej przeanalizowano cztery materiały PP o wysokim stopniu wypełnienia, zawierające 60% wypełniacza. Jeden materiał służy jako punkt odniesienia, natomiast materiały 1, 2 i 3 stanowią zmodyfikowane warianty o dostosowanym składzie.
Celem badania jest systematyczna ocena ilościowa różnic w zachowaniu tych systemów PP w przypadku pożaru i dymienia oraz ocena wpływu modyfikacji materiałowych na zachowanie podczas zapłonu, wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu i utratę masy.
Warunki pomiaru
Badania przeprowadzono przy użyciu kalorymetru stożkowego firmy TCC 918 (rysunek 1) zgodnie z normą ISO 5660-1.
Próbki umieszczono w pozycji poziomej i poddano działaniu stałego natężenia strumienia ciepła wynoszącego 50 kW/m². Podczas pomiaru rejestrowano następujące parametry:
- Czas do zapłonu (TOI)
- Maksymalna szybkość wydzielania ciepła (HRRmax)
- Całkowite wydzielanie dymu (TSR)
- Ubytek masy w funkcji czasu
Główne parametry badawcze zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiarowe
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Strumień ciepła | 50kW/m² |
| Nominalne natężenie przepływu | 24,0 l/s |
| Odległość od grzałki stożkowej | 25 mm |
| Masy próbek | Standard: 48,8 g Materiał 1: 38,3 g Materiał 2: 41,9 g Materiał 3: 42,3 g |
Na rysunku 2 przedstawiono próbki umieszczone w uchwycie przed rozpoczęciem pomiaru.
Warunki pomiaru
Charakterystyka zapłonu
Wszystkie badane materiały uległy zapłonowi w wąskim przedziale czasowym wynoszącym około 21–25 sekund.
Te bardzo zbliżone czasy zapłonu sugerują, że różne modyfikacje materiałowe mają niewielki lub żaden wpływ na początkowe zachowanie systemów PP w zakresie nagrzewania i rozkładu termicznego w wybranych warunkach badawczych.
Uwalnianie ciepła
Szybkość wydzielania ciepła1 jest kluczowym parametrem służącym do oceny intensywności spalania materiałów. Odpowiednie krzywe HRR przedstawiono na rysunku 3.
1Szybkość wydzielaniaciepła(HRR): Szybkość wydzielania energii na jednostkę czasu i powierzchni podczas spalania. Uważana jest za jeden z najważniejszych parametrów służących do oceny intensywności spalania i jest określana za pomocą kalorymetru stożkowego na zasadzie pomiaru zużycia tlenu.
Materiał referencyjny wykazuje znacznie bardziej wyraźny szczyt szybkości wydzielania ciepła. Maksymalna szybkość wydzielania ciepła (HRRmax) jest około dwukrotnie wyższa niż w przypadku zmodyfikowanych wariantów PP.
Natomiast materiały 1, 2 i 3 osiągnęły znacznie niższe wartościHRRmax i wykazały bardziej równomierny ogólny przebieg pożaru. Sugeruje to, że zmodyfikowany skład materiału skutecznie ogranicza intensywność pożaru we wczesnej fazie jego rozwoju.
Po osiągnięciu początkowej wartości maksymalnej krzywe wydzielania ciepła dla różnych materiałów zbiegają się. Wskazuje to, że pomimo różnych składów badane materiały wykazują podobne ogólne zachowanie podczas spalania.
Wytwarzanie dymu
Najbardziej znaczące różnice między badanymi wariantami materiałów obserwuje się w zakresie wydzielania dymu, który jest kluczowym parametrem bezpieczeństwa w przypadku pożaru (patrz rysunek 4).
Materiał standardowy charakteryzuje się najwyższym całkowitym wydzielaniem dymu. Natomiast wszystkie trzy zmodyfikowane warianty PP wykazują znacznie zmniejszoną całkowitą emisję dymu przez cały czas trwania pożaru.
Wartości TSR² materiałów 1, 2 i 3 są znacznie niższe od wartości materiału referencyjnego. Świadczy to o tym, że wytwarzanie dymu można ograniczyć poprzez wprowadzenie określonych zmian w składzie materiału.
Wyniki wskazują, że wytwarzanie dymu można zoptymalizować poprzez odpowiednie modyfikacje receptury bez znaczącego wpływu na właściwości zapalania systemów PP o wysokim stopniu wypełnienia.
2TSR(Total Smoke Release – całkowite wydzielanie dymu): Całkowite wydzielanie dymu podczas badania; integralny parametr służący do ilościowej oceny wytwarzania dymu w całym czasie trwania pożaru.
Utrata masy
Względna utrata masy jest miarą degradacji termicznej materiałów pod wpływem ognia, jak pokazano na rysunku 5. Wyrażenie danych w procentach kompensuje wpływ różnych początkowych mas próbek i umożliwia bezpośrednie porównanie krzywych degradacji.
Trzy zmodyfikowane materiały polipropylenowe (PP) (materiały od 1 do 3) wykazują bardzo podobne krzywe względnej utraty masy. Maksymalna utrata masy dla wszystkich trzech wariantów wynosi około 8–9%.
Natomiast materiał standardowy wykazuje znacznie wyższą względną utratę masy, wynoszącą prawie 12%. W związku z tym w wybranych warunkach badania ulega on większej degradacji termicznej niż zmodyfikowane warianty PP.
Niższa względna utrata masy materiałów modyfikowanych wynika z ich wysokiej zawartości wypełniaczy mineralnych, co zmniejsza zawartość polimeru i może przyczyniać się do stabilnego tworzenia się pozostałości.
Podobne krzywe dla materiałów od 1 do 3 wskazują, że modyfikacja składu materiału prowadzi do porównywalnego zachowania podczas rozkładu termicznego w tych wariantach.
Stan próbek po zakończeniu pomiaru
Po zakończeniu pomiarów na wszystkich badanych materiałach zaobserwowano znaczne tworzenie się pozostałości, co jest typowe dla układów PP o wysokim stopniu wypełnienia (patrz rysunek 6).
Różnice w strukturze powierzchni i stopniu zwęglenia korelują z zaobserwowanymi zmianami we wczesnych fazach pożaru.
Podsumowanie
Badania materiałów z polipropylenu (PP) o wysokim stopniu wypełnienia wykazały, że wszystkie systemy przetestowane w wybranych warunkach badawczych charakteryzują się porównywalnymi czasami zapłonu.
Jednak materiał referencyjny wykazał znacznie wyższą maksymalną szybkość wydzielania ciepła (HRRmax) – około dwukrotnie wyższą niż w przypadku zmodyfikowanych wariantów PP – co wskazuje na większą intensywność pożaru.
Różnice w wytwarzaniu dymu są szczególnie wyraźne. Wszystkie zmodyfikowane materiały wykazują znacznie zmniejszone całkowite uwalnianie dymu (TSR) w porównaniu z systemem referencyjnym.
Względna utrata masy jest również niższa w przypadku zmodyfikowanych wariantów PP – wynosi około 8–9% – niż w przypadku materiału standardowego, gdzie wynosi prawie 12%, co sugeruje zmniejszoną degradację termiczną materiału.
Wyniki te pokazują, że ukierunkowane dostosowania składu materiału mogą zmniejszyć maksymalną intensywność pożaru, wytwarzanie dymu oraz degradację materiałów w systemach PP o wysokim stopniu wypełnienia.
Kalorymetria stożkowa jest uważana za jedną z najważniejszych metod oceny zachowania materiałów polimerowych w ogniu. Wynika to z faktu, że metoda ta pozwala na jednoczesny pomiar kluczowych parametrów, takich jak wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu i utrata masy w określonych warunkach pożarowych.
NETZSCH TCC 918 zapewnia niezawodny i powtarzalny sposób charakteryzowania takich różnic związanych z materiałem.