Inledning
Polypropylen (PP) är en termoplast som är både ekonomiskt betydelsefull och lätt att bearbeta, vilket ger ett brett spektrum av användningsområden. På grund av dess relativt höga brandfarlighet är dess användning dock begränsad i tillämpningar som kräver ökad brandsäkerhet.
En väl beprövad strategi för att förbättra brandbeteendet är att använda höga andelar mineralfyllmedel. Vid brand kan dessa fungera som en värmebarriär, vilket minskar värmeavgivningen och bromsar ned nedbrytningsprocessen samtidigt som de bidrar till bildandet av stabila reststrukturer.
Denna tillämpningsnot undersöker fyra högfyllda PP-material med en fyllnadsgrad på 60 %. Ett material fungerar som referens, medan materialen 1, 2 och 3 representerar modifierade varianter med anpassade sammansättningar.
Studien syftar till att systematiskt kvantifiera skillnaderna i brand- och rökbeteende hos dessa PP-system och utvärdera hur materialmodifieringarna påverkar antändningsbeteende, värmeavgivning, rökbildning och massförlust.
Mätförhållanden
Undersökningarna genomfördes med en konkalorimeter från TCC 918 (figur 1) i enlighet med ISO 5660-1.
Proverna placerades horisontellt och utsattes för en konstant värmeflödesdensitet på 50 kW/m². Följande parametrar registrerades under mätningen:
- Tid till antändning (TOI)
- Maximal värmeavgivningshastighet (HRRmax)
- Total rökutveckling (TSR)
- Tidsberoende massförlust
De viktigaste testparametrarna sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Provhållare | Horisontellt |
| Värmeflöde | 50kW/m² |
| Nominellt flöde | 24,0 l/s |
| Avstånd till konvärmaren | 25 mm |
| Provmassor | Standard: 48,8 g Material 1: 38,3 g Material 2: 41,9 g Material 3: 42,3 g |
Figur 2 visar proverna i provhållaren före mätningen.
Mätförhållanden
Antändningsbeteende
Alla testade material antändes inom ett snävt tidsfönster på cirka 21 till 25 sekunder.
Dessa mycket likartade antändningstider tyder på att de olika materialmodifieringarna har liten eller ingen inverkan på PP-systemens initiala uppvärmning och nedbrytningsbeteende under de valda testförhållandena.
Värmeavgivning
Värmeavgivningshastigheten1 är en nyckelparameter för att bedöma materialens brandintensitet. Motsvarande HRR-kurvor visas i figur 3.
1Värmeavgivningshastighet(HRR): Den hastighet med vilken energi avges per tidsenhet och ytenhet under förbränningen. Den anses vara en av de viktigaste parametrarna för att bedöma brandintensiteten och bestäms med hjälp av en konkalorimeter baserad på principen om syreförbrukning.
Referensmaterialet uppvisar en betydligt mer uttalad topp i värmeavgivningshastigheten. Den maximala värmeavgivningshastigheten (HRRmax) är ungefär dubbelt så hög som hos de modifierade PP-varianterna.
Material 1, 2 och 3 uppnådde däremot betydligt lägreHRRmax-värden och uppvisade en mer jämn brandutveckling totalt sett. Detta tyder på att den modifierade materialsammansättningen effektivt begränsar brandintensiteten i brandens inledande fas.
Efter den inledande toppen konvergerar värmeavgivningskurvorna för de olika materialen. Detta indikerar att de undersökta materialen, trots sina olika sammansättningar, uppvisar ett likartat övergripande förbränningsbeteende.
Rökutveckling
De mest betydande skillnaderna mellan de testade materialvarianterna observeras i rökutvecklingen, vilket är en viktig säkerhetsrelaterad parameter i händelse av brand (se figur 4).
Standardmaterialet uppvisar den högsta totala rökavgivningen. Däremot uppvisar alla tre modifierade PP-varianterna en avsevärt minskad total rökavgivning under hela brandens varaktighet.
TSR²-värdena för material 1, 2 och 3 är betydligt lägre än referensmaterialets värde. Detta visar att rökutvecklingen kan minskas genom specifika ändringar i materialets sammansättning.
Resultaten visar att rökutvecklingen kan optimeras genom lämpliga modifieringar av sammansättningen utan att antändningsbeteendet hos högfyllda PP-system påverkas i någon större utsträckning.
2TSR(Total Smoke Release): Total rökavgivning under provningen; en integrerad parameter för kvantitativ bedömning av rökbildningen under hela brandens varaktighet.
Massförlust
Den relativa massförlusten är ett mått på materialens termiska nedbrytning vid brandpåverkan, vilket framgår av figur 5. Genom att uttrycka data i procent kompenseras för påverkan av olika initiala provmassor och det blir möjligt att direkt jämföra nedbrytningskurvorna.
De tre modifierade polypropenmaterialen (PP) (material 1 till 3) uppvisar mycket likartade kurvor för relativ massförlust. Den maximala massförlusten för alla tre varianterna uppgår till cirka 8 till 9 %.
Däremot uppvisar standardmaterialet en betydligt högre relativ massförlust på nästan 12 %. Under de valda testförhållandena genomgår det därför en större termisk nedbrytning än de modifierade PP-varianterna.
Den lägre relativa massförlusten hos de modifierade materialen stämmer överens med deras höga halt av mineralfyllmedel, vilket minskar polymerhalten och kan bidra till en stabil restbildning.
De likartade kurvorna för material 1 till 3 indikerar att modifieringen av materialets sammansättning leder till jämförbart termiskt nedbrytningsbeteende hos dessa varianter.
Provens tillstånd efter mätningen
Efter avslutade mätningar uppvisar alla testade material betydande restbildning, vilket är typiskt för PP-system med hög fyllnadsgrad (se figur 6).
Skillnader i ytstruktur och förkolningsgrad korrelerar med de variationer som observerats i brandens inledande skeden.
Sammanfattning
Undersökningen av de högfyllda polypropenmaterialen (PP) visar att alla system som testats under de valda testförhållandena har jämförbara antändningstider.
Referensmaterialet uppvisade dock en betydligt högre maximal värmeavgivningshastighet (HRRmax), ungefär dubbelt så hög som hos de modifierade PP-varianterna, vilket indikerar högre brandintensitet.
Skillnaderna i rökutveckling är särskilt uttalade. Samtliga modifierade material uppvisar en betydligt lägre total rökutsläpp (TSR) jämfört med referenssystemet.
Den relativa massförlusten är också lägre för de modifierade PP-varianterna, cirka 8 till 9 %, än för standardmaterialet, nästan 12 %, vilket tyder på minskad termisk nedbrytning av materialet.
Dessa resultat visar att riktade justeringar av materialkompositionen kan minska den maximala brandintensiteten, rökutvecklingen och materialnedbrytningen hos PP-system med hög fyllnadsgrad.
Konkalorimetri anses vara en av de viktigaste metoderna för att utvärdera polymermaterialens brandbeteende. Detta beror på att metoden samtidigt mäter nyckelparametrar såsom värmeavgivning, rökutveckling och massförlust under definierade brandförhållanden.
NETZSCH TCC 918 erbjuder ett tillförlitligt och reproducerbart sätt att karakterisera sådana materialrelaterade skillnader.