Grafite expansível - uma solução sustentável para retardadores de chama em plásticos

Introdução

Os retardantes de chama (FRs) têm sido usados há décadas para reduzir ou até mesmo eliminar o risco de incêndio em componentes plásticos para aplicações como os setores eletrônico e automotivo. Nos primeiros anos, os FRs halogenados eram padrão, mas cada vez mais opções não halogenadas têm surgido no mercado. Isso se deve, em parte, aos riscos adicionais de inalação de vapores tóxicos quando os FRs halogenados queimam, mas também às mudanças na regulamentação e nas preferências do consumidor quando se trata de sustentabilidade. A iniciativa mais importante no momento é o Green Deal da UE, que resultará em grandes oportunidades e, possivelmente, obrigações de transição para FRs sem halogênio. Isso será ainda mais provável quando ocorrer a revisão prevista da RoHS (Restriction of Hazardous Substances, restrição de substâncias perigosas).

Há uma variedade de soluções diferentes e inúmeros polímeros de FR disponíveis no mercado. Um deles é o grafite expansível, que a maioria associa apenas ao aumento da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e elétrica. Entretanto, suas propriedades exclusivas também podem ser utilizadas para aumentar a segurança contra incêndios. Para isso, large flocos de grafite natural são tratados com ácidos e agentes oxidantes. Devido às ligações relativamente fracas (forças de Van der Waals) entre as camadas, em comparação com as ligações dentro de uma camada, a distância resultante entre as camadas permite que os sais expansíveis formem uma camada intermediária - um processo chamado de intercalação. Esses sais se expandem e separam as camadas individuais de grafite quando submetidas ao calor, levando a um enorme aumento de volume. Dessa forma, o grafite expansível combina dois modos de segurança contra incêndio de uma só vez. Em primeiro lugar, a inflamabilidade do componente é reduzida e, em segundo lugar, o grafite expansível forma uma camada protetora intumescente em caso de incêndio. Portanto, eles pertencem à classe dos FRs formadores de barreira.

Dependendo do tipo de polímero, a expansão do volume ocorre em diferentes temperaturas, o que limita o grupo de polímeros em que pode ser usado. Um dos polímeros típicos em que os FRs são compostos são os polietilenos (PE), que são usados para revestimento de fios e cabos. Nessa aplicação de extrusão, a viscosidade da massa fundida precisa ser bem controlada para obter espessuras homogêneas.

* Os revestimentos intumescentes incham quando expostos ao calor e formam uma espuma isolante que protege o substrato. Além disso, por meio de reações endotérmicas, é possível obter um efeito de resfriamento.

Portanto, a quantidade de retardante de chamas é fundamental, pois não afeta apenas os níveis de inflamabilidade alcançáveis, mas também a capacidade de processamento.

Para destacar o efeito de diferentes quantidades de grafite expansível como retardante de chama no comportamento de fogo do PE, amostras dos diferentes compostos foram moldadas por injeção em placas de 100 x 100 x ⁴ mm3 e testadas no TCC 918 (veja a figura 1). O instrumento permite a determinação da liberação de calor, da perda de massa, da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade e da composição do gás de fumaça.

Como a medição é realizada

libralibraAntes de iniciar os testes, o sistema de análise de gás (Siemens Oxymat/Ultramat) foi abastecido com gases de combustão e o fator C foi verificado usando o queimador de metano com uma liberação de calor definida. O analisador de gás usado foi equipado com_O2 e uma opção de_CO2. Depois de aquecer o aquecedor de cone, o obturador foi fechado e o suporte de amostra horizontal com a amostra foi montado na placa de aterramento. Em seguida, o sistema removeu automaticamente o obturador para o início da medição. Os gases evaporados foram inflamados pelo sistema de ignição automática. As condições de medição estão resumidas na tabela 1.

Como a liberação de calor, a densidade da fumaça e a perda de massa estão conectadas ?

O primeiro efeito a ser observado é a liberação de calor; veja a Figura 2. Embora a liberação de calor comece entre 2 e 3 minutos após o início do teste para todas as amostras, é possível observar que, para o PE sem retardante de chamas (linha azul), a liberação de calor aumenta e atinge o máximo em cerca de 5 minutos. Em comparação, as duas amostras com grafite expansível mostram uma liberação de calor muito menor e o efeito é ainda mais forte com uma quantidade maior de grafite expansível (linha verde). Isso aponta para as propriedades de barreira do grafite após a formação da camada intumescente.

Tabela 1: Condições de medição

Outra análise importante é o desenvolvimento de fumaça durante um incêndio. Isso é medido pela detecção de uma alteração na transmissão, em que a diminuição da transmissão está correlacionada ao aumento da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade da fumaça. Na Figura 3, as medições das três amostras são comparadas. Em todos os casos, a transmissão começa a se reduzir após cerca de 2 minutos de tempo de teste. Pode-se observar que, no caso do PE puro, a transmissão cai em cerca de 30%. Em ambas as amostras com FR, a queda é significativamente menor; a perda de transmissão é de apenas 20% com grafite expansível de 10% em peso e 10% com a quantidade maior de grafite expansível de 20% em peso.

A queima da amostra e a liberação de calor resultante são acompanhadas por uma redução no peso das amostras. Os resultados medidos - veja a Figura 4 - também estão de acordo com a liberação e a transmissão de calor medidas. A maior perda de massa é observada para a amostra de PE puro, seguida pela amostra com 10 wt% de grafite expansível. A menor perda de massa é medida para a amostra com a maior quantidade de FR: 20 wt% de grafite expansível.

Embora o início da perda de massa possa ser detectado após cerca de dois minutos, a alteração no peso se torna mais evidente quando a queda significativa na transmissão e o aumento na transferência de calor são observados.

Que outros efeitos os retardadores de chama podem ter?

Embora as quantidades maiores de FR tenham um efeito decrescente na liberação de calor, na perda de massa e no aumento da propriedade de transmissão, a mudança na viscosidade precisa ser investigada e seu efeito no comportamento de processamento avaliado. Assim como a maioria dos aditivos (excluindo os intensificadores de fluxo), os FRs aumentam a viscosidade da massa fundida em uma ampla faixa de taxas de cisalhamento; veja a figura 5. Isso só pode ser equilibrado até certo ponto com o aumento da temperatura de extrusão. O efeito de qualquer quantidade de FR pode ser estudado em um reômetro capilar como uma função da taxa de cisalhamento.

Conclusão

A comparação visual das diferentes amostras após o teste mostra que o PE não tratado apresenta um número significativamente maior de rachaduras e orifícios, proporcionando um caminho para a difusão de oxigênio. Também é possível observar que a transferência de calor e massa é limitada, mesmo com o aumento contínuo do grafite expansível. Assim, pode-se concluir que o retardamento do fogo do grafite expansível resulta mais de uma ação física do que química.

O estudo mostra que o grafite expansível é um retardante de chamas adequado para PE e que, dentro da faixa de níveis de conteúdo de FR investigados aqui, é possível aumentar o efeito usando quantidades maiores de FR.