Inledning
Flamskyddsmedel (FR) har använts i årtionden för att minska eller till och med eliminera risken för brand i plastkomponenter inom t.ex. elektronik- och fordonsindustrin. Under de första åren var halogenerade flamskyddsmedel standard, men fler och fler icke-halogenerade alternativ har dykt upp på marknaden. Detta beror delvis på de ökade riskerna med att andas in giftiga ångor när halogenerade FR brinner, men också på förändringar i lagstiftningen och konsumenternas preferenser när det gäller hållbarhet. Det viktigaste initiativet just nu är EU:s Green Deal, som kommer att leda till stora möjligheter och eventuellt skyldigheter att övergå till halogenfria brandreaktorer. Detta kommer att bli ännu mer sannolikt när den förväntade revideringen av RoHS (Restriction of Hazardous Substances) äger rum.
Det finns en mängd olika lösningar och ett stort antal FR-polymerer tillgängliga på marknaden. En av dem är expanderbar grafit, som de flesta bara förknippar med ökad termisk och Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.elektrisk ledningsförmåga. Dess unika egenskaper kan dock också utnyttjas för att öka brandsäkerheten. För att uppnå detta behandlas large flingor av naturlig grafit med syror och oxidationsmedel. På grund av de relativt svaga bindningarna (Van der Waals-krafterna) mellan skikten jämfört med bindningarna inom ett skikt, gör det resulterande avståndet mellan skikten det möjligt för expanderbara salter att bilda ett mellanliggande skikt - en process som kallas interkalation. Dessa salter expanderar och driver isär de enskilda grafitlagren när de utsätts för värme, vilket leder till en enorm volymökning. Härigenom kombinerar expanderbar grafit två typer av brandsäkerhet på en gång. För det första minskar komponentens brandfarlighet, och för det andra bildar expanderbar grafit ett skyddande svällande skikt i händelse av brand. Därför hör de till klassen barriärbildande FR.
Beroende på polymertyp sker volymutvidgningen vid olika temperaturer, vilket begränsar den grupp av polymerer som den kan användas för. En av de typiska polymerer som FR blandas med är polyetener (PE), som används för mantling av trådar och kablar. I denna extruderingstillämpning måste smältans viskositet kontrolleras väl för att uppnå homogena tjocklekar.
* Svällande ytbeläggningar sväller när de utsätts för värme och bildar ett isolerande skum som skyddar underlaget. Genom endotermiska reaktioner kan dessutom en kylande effekt uppnås.
Därför är mängden flamskyddsmedel kritisk, eftersom den inte bara påverkar de uppnåeliga brännbarhetsnivåerna utan också processbarheten.
För att belysa effekten av olika mängder expanderbar grafit som flamskyddsmedel på brandbeteendet hos PE formsprutades prover av de olika föreningarna till 100 x 100 x 4 mm3 plattor och testades i TCC 918 (se figur 1). Instrumentet gör det möjligt att bestämma värmeavgivning, massförlust samt rökgasens TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och sammansättning.
Hur utförs mätningen?
Innan testerna påbörjades kalibrerades gasanalyssystemet (Siemens Oxymat/Ultramat) med kalibreringsgaser och C-faktorn kontrollerades genom att använda metanbrännaren med en definierad värmeavgivning. Gasanalysatorn som användes var utrustad medO2 och ettCO2-alternativ. Efter uppvärmning av konvärmaren stängdes slutaren och den horisontella provhållaren med provet monterades på bottenplattan. Därefter tog systemet automatiskt bort slutaren för att påbörja mätningen. De förångade gaserna antändes av det automatiska tändsystemet. Mätförhållandena sammanfattas i tabell 1.
Hur hänger värmeavgivning, rökdensitet och massförlust ihop?
Den första effekten som kan observeras är värmeavgivningen, se figur 2. Värmeavgivningen börjar mellan 2 och 3 minuter efter att testet har påbörjats för alla prover, men det framgår att för PE utan flamskyddsmedel (blå linje) ökar värmeavgivningen och når ett maximum efter cirka 5 minuter. I jämförelse visar båda proverna med expanderbar grafit en mycket lägre värmeavgivning och effekten är ännu starkare med en högre mängd expanderbar grafit (grön linje). Detta pekar på grafitens barriäregenskaper när det svällande skiktet har bildats.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Provhuvuden | Horisontell | |
| Värmeflöde | 50 kW/m² | |
| Nominellt kanalflöde | 24.0 l/s | |
En annan viktig analys är rökutvecklingen under en brand. Detta mäts genom att detektera en förändring i transmission, där minskad transmission korrelerar med ökande röktäthet. I figur 3 jämförs mätningarna av de 3 proverna. I samtliga fall börjar transmissionen att minska efter ca 2 minuters testtid. Man kan se att i fallet med ren PE sjunker transmissionen med ca 30%. I båda proverna med FR är minskningen betydligt mindre; transmissionsförlusten är endast 20% med 10 vikt% expanderbar grafit och 10% med den högre mängden 20 vikt% expanderbar grafit.
Förbränningen av provet och den resulterande värmeavgivningen åtföljs av en viktminskning av proverna. De uppmätta resultaten - se figur 4 - är också i god överensstämmelse med den uppmätta värmeavgivningen och transmissionen. Den högsta massförlusten observeras för det rena PE-provet, följt av provet med 10 vikt-% expanderbar grafit. Den lägsta massförlusten uppmättes för provet med den högsta mängden FR: 20 vikt% expanderbar grafit.
Den begynnande massförlusten kan upptäckas efter cirka två minuter, men viktförändringen blir tydlig först när en betydande minskning av transmissionen och en ökning av värmeöverföringen observeras.
Vilka andra effekter kan flamskyddsmedel ha?
Medan de högre mängderna FR har en minskande effekt på värmeavgivningen, massförlusten och ökningen av transmissionsegenskaperna, måste förändringen i viskositet undersökas och dess effekt på bearbetningsbeteendet utvärderas. Precis som de flesta tillsatser (med undantag för flödesförstärkare) ökar FR smältans viskositet över ett brett spektrum av skjuvhastigheter, se figur 5. Detta kan endast balanseras till en viss grad genom att öka extruderingstemperaturen. Effekten av en given mängd FR kan studeras i en kapillärreometer som en funktion av skjuvhastigheten.
Slutsats
En visuell jämförelse av de olika proverna efter testet visar att den obehandlade PE-plasten uppvisar betydligt fler sprickor och hål, vilket ger en väg för syrgasdiffusion. Vidare kan man se att värme- och massöverföringen är begränsad, även om den expanderbara grafiten fortsätter att öka. Således kan man dra slutsatsen att den expanderbara grafitens brandhämmande förmåga snarare beror på fysikaliska än kemiska faktorer.
Studien visar att expanderbar grafit är ett lämpligt flamskyddsmedel för PE och att det, inom det intervall av FR-innehållsnivåer som undersökts här, är möjligt att öka effekten genom att använda högre mängder FR.