Introducere
Retardanții de flacără (FR) sunt utilizați de zeci de ani pentru a reduce sau chiar a elimina riscul de incendiu în componentele din plastic pentru aplicații precum industria electronică sau industria auto. În primii ani, substanțele ignifuge halogenate erau standard, dar din ce în ce mai multe opțiuni nehalogenate au apărut pe piață. Acest lucru se datorează, în parte, riscurilor suplimentare de inhalare a fumurilor toxice la arderea FR halogenate, dar și schimbărilor în materie de reglementare și preferințelor consumatorilor în ceea ce privește durabilitatea. Cea mai importantă inițiativă în acest moment este "Green Deal" al UE, care va avea ca rezultat oportunități puternice și, potențial, obligații de tranziție către FR fără halogeni. Acest lucru va fi și mai probabil atunci când va avea loc revizuirea anticipată a RoHS (Restriction of Hazardous Substances).
Există o varietate de soluții diferite și numeroși polimeri FR disponibili pe piață. Una dintre acestea este grafitul expandabil, pe care majoritatea îl asociază doar cu creșterea conductivității termice și electrice. Cu toate acestea, proprietățile sale unice pot fi, de asemenea, utilizate pentru a spori siguranța împotriva incendiilor. Pentru a realiza acest lucru, large fulgi de grafit natural sunt tratați cu acizi și agenți oxidanți. Datorită legăturilor relativ slabe (forțele Van der Waals) dintre straturi în comparație cu cele din interiorul unui strat, distanța rezultată între straturi permite sărurilor expandabile să formeze un strat intermediar - un proces numit intercalare. Aceste săruri se dilată și îndepărtează straturile individuale de grafit atunci când sunt supuse la căldură, ceea ce duce la o creștere uriașă a volumului. Astfel, grafitul expandabil combină simultan două moduri de siguranță împotriva incendiilor. În primul rând, inflamabilitatea componentei este redusă; iar în al doilea rând, grafitul expandabil formează un strat intumescent protector în caz de incendiu. Prin urmare, acestea fac parte din clasa FR cu formare de barieră.
În funcție de tipul de polimer , expansiunea volumului are loc la temperaturi diferite, ceea ce limitează grupul de polimeri pentru care poate fi utilizat. Unul dintre polimerii tipici în care sunt compuși FR sunt polietilenii (PE), care sunt utilizați pentru învelișul de fire și cabluri. În această aplicație de extrudare, vâscozitatea topiturii trebuie să fie bine controlată pentru a obține grosimi omogene.
* Acoperirile intumescente se umflă atunci când sunt expuse la căldură și formează o spumă izolatoare care protejează substratul. De asemenea, prin reacții EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice, se poate obține un efect de răcire.
Prin urmare, cantitatea de retardant de flacără este esențială, deoarece afectează nu numai nivelurile de inflamabilitate realizabile, ci și procesabilitatea.
Pentru a evidenția efectul diferitelor cantități de grafit expandabil ca agent de ignifugare asupra comportamentului la foc al PE, probe din diferiți compuși au fost turnate prin injecție în plăci de 100 x 100 x 4 mm3 și testate în TCC 918 (a se vedea figura 1). Instrumentul permite determinarea degajării de căldură, a pierderii de masă și a densității și compoziției gazului de fum.
Cum se efectuează măsurarea
Înainte de începerea testelor, sistemul de analiză a gazelor (Siemens Oxymat/Ultramat) a fost calibrat cu gaze de calibrare, iar factorul C a fost verificat prin utilizarea arzătorului de metan cu o eliberare de căldură definită. Analizorul de gaze utilizat a fost echipat cuO2 și o opțiuneCO2. După încălzirea încălzitorului conic, obturatorul a fost închis și suportul orizontal pentru probe cu proba a fost montat pe placa de bază. Apoi, sistemul a scos automat obturatorul pentru începerea măsurătorilor. Gazele evaporate au fost aprinse de sistemul automat de aprindere. Condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul 1.
Cum sunt conectate degajarea de căldură, densitatea fumului și pierderea de masă ?
Primul efect observat este degajarea de căldură; a se vedea figura 2. În timp ce degajarea de căldură începe între 2 și 3 minute de la începerea testului pentru toate probele, se poate observa că pentru PE fără nici un retardant de flacără (linia albastră), degajarea de căldură crește și atinge un maxim la aproximativ 5 minute. În comparație, ambele probe cu grafit expandabil prezintă o eliberare de căldură mult mai scăzută, iar efectul este chiar mai puternic în cazul unei cantități mai mari de grafit expandabil (linia verde). Acest lucru indică proprietățile de barieră ale grafitului odată ce s-a format stratul intumescent.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Producător de probe | Orizontal | |
| Flux de căldură | 50 kW/m² | |
| Debit nominal al conductei | 24.0 l/s | |
O altă analiză importantă este dezvoltarea fumului în timpul unui incendiu. Aceasta se măsoară prin detectarea unei modificări a transmisiei, unde scăderea transmisiei se corelează cu creșterea densității fumului. În figura 3, sunt comparate măsurătorile celor 3 probe. În toate cazurile, transmisia începe să se reducă după aproximativ 2 minute de testare. Se poate observa că, în cazul PE pur, transmisia scade cu aproximativ 30%. În cazul ambelor probe cu FR, scăderea este semnificativ mai mică; pierderea transmisiei este de numai 20% cu 10 % din greutate grafit expandabil și de 10% cu cantitatea mai mare de 20 % din greutate grafit expandabil.
Arderea probei și degajarea de căldură rezultată sunt însoțite de o reducere a greutății probelor. Rezultatele măsurate - a se vedea figura 4 - sunt, de asemenea, în bună concordanță cu emisiile de căldură și transmisia măsurate. Cea mai mare pierdere de masă este observată pentru proba de PE pur, urmată de proba cu 10 % în greutate grafit expandabil. Cea mai mică pierdere de masă este măsurată pentru eșantionul cu cea mai mare cantitate de FR: 20 % în greutate grafit expandabil.
În timp ce începutul pierderii de masă poate fi detectat după aproximativ două minute, schimbarea greutății devine mai întâi foarte evidentă atunci când se observă scăderea semnificativă a transmisiei și creșterea transferului de căldură.
Ce alte efecte pot avea substanțele ignifuge?
În timp ce cantitățile mai mari de FR au un efect descrescător asupra eliberării de căldură, a pierderii de masă și a creșterii proprietății de transmisie, modificarea vâscozității trebuie investigată și trebuie evaluat efectul acesteia asupra comportamentului de prelucrare. La fel ca majoritatea aditivilor (cu excepția amelioratorilor de curgere), FR cresc vâscozitatea topiturii într-o gamă largă de viteze de forfecare; a se vedea figura 5. Acest lucru poate fi echilibrat într-o anumită măsură numai prin creșterea temperaturii de extrudare. Efectul oricărei cantități date de FR poate fi studiat într-un reometru capilar în funcție de rata de forfecare.
Concluzie
Compararea vizuală a diferitelor probe după test arată că PE netratat prezintă mult mai multe fisuri și găuri, oferind o cale pentru difuzarea oxigenului. De asemenea, se poate observa că transferul de căldură și de masă este limitat, chiar dacă grafitul expandabil continuă să crească. Astfel, se poate concluziona că rezistența la foc a grafitului expandabil rezultă mai mult dintr-o acțiune fizică decât chimică.
Studiul arată că grafitul expandabil este un agent ignifug adecvat pentru PE și că, în cadrul gamei de niveluri ale conținutului de FR investigate aici, este posibilă creșterea efectului prin utilizarea unor cantități mai mari de FR.