Giriş
Polipropilen (PP), hem ekonomik açıdan önemli hem de işlenmesi kolay bir termoplastik olup, geniş bir uygulama yelpazesi sunmaktadır. Bununla birlikte, nispeten yüksek yanıcılığı nedeniyle, yüksek yangın güvenliği gerektiren uygulamalarda kullanımı sınırlıdır.
Yangın davranışını iyileştirmek için yaygın olarak kullanılan bir strateji, yüksek oranda mineral dolgu maddeleri kullanmaktır. Yangın durumunda bu maddeler termal bariyer görevi görerek ısı salınımını azaltır, Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma sürecini yavaşlatır ve aynı zamanda kararlı kalıntı yapıların oluşumuna katkıda bulunur.
Bu uygulama notu, dolgu maddesi içeriği %60 olan dört adet yüksek dolgulu PP malzemesini incelemektedir. Bir malzeme referans olarak kullanılırken, 1, 2 ve 3 numaralı malzemeler, bileşimleri ayarlanmış modifiye varyantları temsil etmektedir.
Çalışma, bu PP sistemlerinin yangın ve duman davranışlarındaki farklılıkları sistematik olarak nicelendirmeyi ve malzeme modifikasyonlarının tutuşma davranışı, ısı salınımı, duman oluşumu ve kütle kaybı üzerindeki etkisini değerlendirmeyi amaçlamaktadır.
Ölçüm Koşulları
Araştırma, ISO 5660-1 standardına uygun olarak TCC 918 Konik Kalorimetre (şekil 1) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Numuneler yatay olarak yerleştirildi ve 50 kW/m²'lik sabit bir ısı akısı yoğunluğuna maruz bırakıldı. Ölçüm sırasında aşağıdaki parametreler kaydedildi:
- Alevlenme süresi (TOI)
- Maksimum ısı salım hızı (HRRmax)
- Toplam duman salınımı (TSR)
- Zamana bağlı kütle kaybı
Başlıca test parametreleri Tablo 1’de özetlenmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Numune tutucu | Yatay |
| Isı akışı | 50kW/m2 |
| Nominal akış hızı | 24,0 l/s |
| Konik ısıtıcıya olan mesafe | 25 mm |
| Numune kütleleri | Standart: 48,8 g Malzeme 1: 38,3 g Malzeme 2: 41,9 g Malzeme 3: 42,3 g |
Şekil 2, ölçümden önce numune tutucudaki numuneleri göstermektedir.
Ölçüm Koşulları
Alevlenme Davranışı
Test edilen tüm malzemeler, yaklaşık 21 ila 25 saniye arasındaki dar bir zaman aralığında tutuşmuştur.
Bu birbirine çok benzeyen tutuşma süreleri, seçilen test koşulları altında farklı malzeme modifikasyonlarının PP sistemlerinin ilk ısınma ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma davranışları üzerinde çok az etkisi olduğunu ya da hiç etkisi olmadığını göstermektedir.
Isı Salınımı
Isı salınımhızı1, malzemelerin yangın yoğunluğunu değerlendirmek için temel bir parametredir. İlgili HRR eğrileri Şekil 3'te gösterilmiştir.
1Isısalınım hızı (HRR): Yanma sırasında birim zaman ve alan başına salınan enerji miktarıdır. Yangın yoğunluğunu değerlendirmek için en önemli parametrelerden biri olarak kabul edilir ve oksijen tüketimi prensibine dayalı bir koni kalorimetre kullanılarak belirlenir.
Referans malzeme, ısı salım hızında önemli ölçüde daha belirgin bir tepe noktası sergilemektedir. Maksimum ısı salım hızı (HRRmax), modifiye edilmiş PP varyantlarının yaklaşık iki katıdır.
Buna karşın, 1, 2 ve 3 numaralı malzemeler, önemli ölçüde daha düşükHRRmax değerlerine ulaşmış ve genel olarak daha homojen bir yangın yayılımı sergilemiştir. Bu durum, modifiye edilmiş malzeme bileşiminin yangının erken aşamasında yangın şiddetini etkili bir şekilde sınırladığını göstermektedir.
İlk maksimum değerden sonra, farklı malzemelerin ısı salım eğrileri birbirine yaklaşmaktadır. Bu durum, farklı formülasyonlara sahip olmalarına rağmen, incelenen malzemelerin genel olarak benzer yanma davranışları sergilediğini göstermektedir.
Duman Oluşumu
Test edilen malzeme varyantları arasındaki en önemli farklılıklar, yangın durumunda güvenlik açısından kilit öneme sahip bir parametre olan duman oluşumunda gözlemlenmektedir (bkz. Şekil 4).
Standart malzeme, en yüksek toplam duman salınımını sergilemektedir. Buna karşın, üç modifiye PP çeşidinin tümü, yangın süresince toplam duman salınımında önemli ölçüde azalma göstermektedir.
Malzemeler 1, 2 ve 3'ün TSR² değerleri, referans malzemenin değerinden önemli ölçüde daha düşüktür. Bu durum, malzeme bileşiminde belirli değişiklikler yapılarak duman oluşumunun azaltılabileceğini göstermektedir.
Sonuçlar, yüksek dolgu oranına sahip PP sistemlerinin tutuşma davranışını önemli ölçüde etkilemeden, formülasyonda uygun değişiklikler yapılarak duman oluşumunun optimize edilebileceğini göstermektedir.
2TSR(Toplam Duman Salımı): Test sırasında toplam duman salımı; yangının tüm süresi boyunca duman üretiminin nicel olarak değerlendirilmesinde kullanılan temel bir parametredir.
Kütle Kaybı
Şekil 5'te gösterildiği gibi, göreceli kütle kaybı, yangına maruz kalma sırasında malzemelerin termal bozulmasının bir ölçüsüdür. Verilerin yüzde olarak ifade edilmesi, farklı başlangıç numune kütlelerinin etkisini telafi eder ve bozulma eğrilerinin doğrudan karşılaştırılmasını sağlar.
Modifiye edilmiş üç polipropilen (PP) malzeme (malzemeler 1 ila 3), birbirine çok benzeyen bağıl kütle kaybı eğrileri sergilemektedir. Üç varyantın tümü için maksimum kütle kaybı yaklaşık %8 ila %9 arasındadır.
Buna karşılık, standart malzeme neredeyse %12 gibi önemli ölçüde daha yüksek bir göreceli kütle kaybı sergilemektedir. Bu nedenle, seçilen test koşulları altında, modifiye PP varyantlarına kıyasla daha fazla termal bozunmaya uğramaktadır.
Modifiye edilmiş malzemelerin daha düşük göreceli kütle kaybı, polimer içeriğini azaltan ve kararlı kalıntı oluşumuna katkıda bulunabilen yüksek mineral dolgu maddesi içeriği ile tutarlıdır.
Malzemeler 1 ile 3 arasındaki benzer eğriler, malzeme bileşiminin değiştirilmesinin bu varyantlarda benzer termal bozunma davranışına yol açtığını göstermektedir.
Ölçüm Sonrası Numunelerin Durumu
Ölçümlerin tamamlanmasının ardından, test edilen tüm malzemelerde, yüksek dolgu oranına sahip PP sistemlerinde tipik olarak görüldüğü üzere, önemli miktarda kalıntı oluşumu gözlemlenmiştir (bkz. Şekil 6).
Yüzey yapısı ve kömürleşme derecesindeki farklılıklar, yangının erken aşamalarında gözlemlenen değişikliklerle ilişkilidir.
Özet
Yüksek dolum oranına sahip polipropilen (PP) malzemeler üzerinde yapılan araştırma, seçilen test koşulları altında test edilen tüm sistemlerin benzer tutuşma sürelerine sahip olduğunu göstermektedir.
Bununla birlikte, referans malzeme, modifiye PP varyantlarının yaklaşık iki katı kadar önemli ölçüde daha yüksek bir maksimum ısı salım hızı (HRRmax) sergilemiştir; bu da daha yüksek yangın yoğunluğuna işaret etmektedir.
Duman oluşumundaki farklılıklar özellikle belirgindir. Modifiye edilmiş tüm malzemeler, referans sisteme kıyasla önemli ölçüde daha düşük toplam duman salınımı (TSR) sergilemektedir.
Modifiye PP varyantlarında göreceli kütle kaybı da yaklaşık %8 ila %9 ile standart malzemenin neredeyse %12'lik değerine kıyasla daha düşüktür; bu da malzemenin termal bozulmasının azaldığını göstermektedir.
Bu sonuçlar, malzeme bileşiminde yapılan hedefli ayarlamaların, yüksek dolgu oranına sahip PP sistemlerinde maksimum yangın yoğunluğunu, duman oluşumunu ve malzeme bozulmasını azaltabileceğini göstermektedir.
Koni kalorimetrisi, polimer malzemelerin yangın davranışını değerlendirmek için en önemli yöntemlerden biri olarak kabul edilmektedir. Bunun nedeni, tanımlanmış yangın koşulları altında ısı salınımı, duman oluşumu ve kütle kaybı gibi temel parametreleri aynı anda ölçmesidir.
NETZSCH TCC 918 , bu tür malzemeyle ilgili farklılıkları karakterize etmek için güvenilir ve tekrarlanabilir bir yol sunar.