Введение
Полипропилен (ПП) — это термопластичный материал, который обладает как экономической значимостью, так и простотой в переработке, что обеспечивает ему широкий спектр применения. Однако из-за его относительно высокой воспламеняемости его использование в областях, требующих повышенной пожарной безопасности, ограничено.
Хорошо зарекомендовавшей себя стратегией улучшения огневых характеристик является использование высоких долей минеральных наполнителей. В случае возгорания они могут выступать в качестве теплового барьера, снижая выделение тепла и замедляя процесс разложения, а также способствуя формированию стабильных остаточных структур.
В данном приложении рассматриваются четыре материала из ПП с высокой степенью наполнения, содержание наполнителя в которых составляет 60 %. Один материал служит в качестве эталона, а материалы 1, 2 и 3 представляют собой модифицированные варианты с измененным составом.
Цель исследования — систематически количественно оценить различия в пожарных и дымовых характеристиках этих полипропиленовых систем, а также оценить влияние модификаций материалов на воспламеняемость, тепловыделение, дымообразование и потерю массы.
Условия измерения
Исследования проводились с использованием конусного калориметра « TCC 918 » (рис. 1) в соответствии с требованиями стандарта ISO 5660-1.
Образцы располагались в горизонтальном положении и подвергались воздействию постоянной плотности теплового потока 50 кВт/м². В ходе измерения регистрировались следующие параметры:
- Время до возгорания (TOI)
- Максимальная скорость выделения тепла (HRRmax)
- Общее количество выделенного дыма (TSR)
- Зависимая от времени потеря массы
Основные параметры испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Держатель образца | Горизонтальное положение |
| Тепловой поток | 50кВт/м² |
| Номинальный расход | 24,0 л/с |
| Расстояние до конусного нагревателя | 25 мм |
| Масса образцов | Стандарт: 48,8 г Материал 1: 38,3 г Материал 2: 41,9 г Материал 3: 42,3 г |
На рисунке 2 показаны образцы в держателе образцов перед измерением.
Условия измерения
Характеристики воспламенения
Все испытуемые материалы воспламенялись в течение короткого промежутка времени — примерно от 21 до 25 секунд.
Такое практически одинаковое время возгорания свидетельствует о том, что различные модификации материала практически не влияют на начальные процессы нагрева и разложения полипропиленовых систем в выбранных условиях испытаний.
Тепловыделение
Скорость тепловыделения¹ является ключевым параметром для оценки интенсивности горения материалов. Соответствующие кривые HRR представлены на рисунке 3.
1Скоростьтепловыделения(HRR): скорость выделения энергии в расчете на единицу времени и площади в процессе горения. Она считается одним из важнейших параметров для оценки интенсивности горения и определяется с помощью конусного калориметра по принципу потребления кислорода.
У эталонного материала наблюдается значительно более выраженный пик скорости выделения тепла. Максимальная скорость выделения тепла (HRRmax) примерно в два раза превышает аналогичный показатель для модифицированных вариантов полипропилена.
Материалы 1, 2 и 3, напротив, демонстрировали значительно более низкие значенияHRRmax и более равномерное общее развитие пожара. Это свидетельствует о том, что модифицированный состав материала эффективно ограничивает интенсивность горения на ранней стадии пожара.
После достижения начального максимума кривые тепловыделения различных материалов сходятся. Это указывает на то, что, несмотря на разные составы, исследуемые материалы демонстрируют схожее общее поведение при горении.
Дымообразование
Наиболее значительные различия между исследованными вариантами материалов наблюдаются в интенсивности дымообразования, которая является ключевым параметром безопасности в случае пожара (см. рисунок 4).
Стандартный материал демонстрирует наибольший общий объем выделения дыма. Напротив, все три модифицированных варианта полипропилена демонстрируют значительно сниженный общий объем выделения дыма на протяжении всего времени горения.
Значения TSR² для материалов 1, 2 и 3 значительно ниже, чем у эталонного материала. Это свидетельствует о том, что образование дыма можно уменьшить путем внесения определенных изменений в состав материала.
Результаты показывают, что образование дыма можно оптимизировать путем соответствующих модификаций рецептуры без существенного влияния на воспламеняемость систем ПП с высоким содержанием наполнителя.
2TSR(Total Smoke Release) — общее количество выделяемого дыма в ходе испытания; интегральный параметр для количественной оценки образования дыма в течение всего времени горения.
Потеря массы
Относительная потеря массы является показателем термического разложения материалов при воздействии огня, как показано на рисунке 5. Выражение данных в процентах компенсирует влияние различной начальной массы образцов и позволяет проводить прямое сравнение кривых разложения.
Три модифицированных полипропиленовых (ПП) материала (материалы 1–3) демонстрируют очень схожие кривые относительной потери массы. Максимальная потеря массы для всех трёх вариантов составляет примерно 8–9 %.
Напротив, стандартный материал демонстрирует значительно более высокую относительную потерю массы — почти 12 %. Таким образом, в выбранных условиях испытаний он подвергается более сильной термической деградации, чем модифицированные варианты ПП.
Более низкая относительная потеря массы модифицированных материалов согласуется с высоким содержанием минерального наполнителя, что снижает содержание полимера и может способствовать образованию стабильного остатка.
Схожие кривые для материалов 1–3 указывают на то, что модификация состава материала приводит к сопоставимому поведению при термическом разложении у этих вариантов.
Состояние образцов после измерения
По завершении измерений на всех исследованных материалах наблюдается значительное образование остатков, что характерно для систем ПП с высоким содержанием наполнителя (см. рис. 6).
Различия в структуре поверхности и степени обугливания коррелируют с наблюдаемыми изменениями на ранних стадиях пожара.
Резюме
Исследование полипропиленовых (ПП) материалов с высоким содержанием наполнителя показывает, что все системы, испытанные в выбранных условиях испытаний, имеют сопоставимое время возгорания.
Однако эталонный материал продемонстрировал значительно более высокую максимальную скорость выделения тепла (HRRmax) — примерно в два раза выше, чем у модифицированных вариантов ПП, — что указывает на более высокую интенсивность горения.
Различия в дымообразовании особенно заметны. Все модифицированные материалы демонстрируют значительно меньший общий выброс дыма (TSR) по сравнению с эталонной системой.
Относительная потеря массы у модифицированных вариантов ПП также ниже — около 8–9 % — по сравнению со стандартным материалом (почти 12 %), что свидетельствует о снижении термической деградации материала.
Эти результаты показывают, что целенаправленная корректировка состава материала позволяет снизить максимальную интенсивность горения, образование дыма и деградацию материалов в системах ПП с высоким содержанием наполнителя.
Конусная калориметрия считается одним из важнейших методов оценки пожарных характеристик полимерных материалов. Это объясняется тем, что данный метод позволяет одновременно измерять такие ключевые параметры, как тепловыделение, дымообразование и потеря массы в определенных условиях пожара.
NETZSCH TCC 918 предоставляет надёжный и воспроизводимый способ определения таких различий, связанных с материалами.