Giriş
Alev geciktiriciler (FR'ler), elektronik veya otomotiv endüstrileri gibi uygulamalarda plastik bileşenlerde yangın tehlikesi riskini azaltmak veya hatta ortadan kaldırmak için onlarca yıldır kullanılmaktadır. İlk yıllarda halojenli FR'ler standarttı, ancak piyasada giderek daha fazla halojenli olmayan seçenekler ortaya çıkmaktadır. Bunun nedeni kısmen halojenli FR'ler yandığında zehirli dumanları soluma riskinin artması, ancak aynı zamanda sürdürülebilirlik söz konusu olduğunda düzenlemelerdeki ve tüketici tercihlerindeki değişikliklerdir. Şu anda en önemli girişim, halojensiz FR'lere geçiş için güçlü fırsatlar ve potansiyel olarak yükümlülüklerle sonuçlanacak olan AB'nin Yeşil Anlaşmasıdır. RoHS'nin (Tehlikeli Maddelerin Kısıtlanması) beklenen revizyonu gerçekleştiğinde bu daha da olası olacaktır.
Piyasada çeşitli farklı çözümler ve çok sayıda FR polimeri mevcuttur. Bunlardan biri, çoğu kişinin yalnızca artan termal ve elektrik iletkenliği ile ilişkilendirdiği genişletilebilir grafittir. Bununla birlikte, benzersiz özellikleri yangın güvenliğini artırmak için de kullanılabilir. Bunu başarmak için large doğal grafit pulları asitler ve oksitleyici maddelerle muamele edilir. Katmanlar arasındaki nispeten zayıf bağlar (Van der Waals kuvvetleri) nedeniyle, katmanlar arasında ortaya çıkan mesafe, genleşebilir tuzların bir ara katman oluşturmasına izin verir - bu sürece interkalasyon denir. Bu tuzlar ısıya maruz kaldıklarında genişler ve grafit katmanlarını birbirinden ayırarak büyük bir hacim artışına yol açar. Böylece genleşebilir grafit iki yangın güvenliği modunu aynı anda birleştirir. İlk olarak, bileşenin yanıcılığı azaltılır; ve ikinci olarak, genleşebilir grafit yangın durumunda koruyucu bir şişen tabaka oluşturur. Bu nedenle, bariyer oluşturan FR'ler sınıfına aittirler.
Polimer tipine bağlı olarak, hacim genişlemesi farklı sıcaklıklarda gerçekleşir ve bu da kullanılabileceği polimer grubunu sınırlar. FR'lerin birleştirildiği tipik polimerlerden biri, tel ve kablo kılıfları için kullanılan polietilenlerdir (PE). Bu ekstrüzyon uygulamasında, homojen kalınlıklar elde etmek için eriyiğin viskozitesinin iyi kontrol edilmesi gerekir.
* Şişen kaplamalar ısıya maruz kaldığında şişer ve alt tabakayı koruyan yalıtkan bir köpük oluşturur. EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.Endotermik reaksiyonlar sayesinde ayrıca bir soğutma etkisi de elde edilebilir.
Bu nedenle, alev geciktirici miktarı kritik öneme sahiptir, çünkü sadece ulaşılabilir yanıcılık seviyelerini değil, aynı zamanda işlenebilirliği de etkiler.
Alev geciktirici olarak farklı miktarlarda genleşebilir grafitin PE'nin yangın davranışı üzerindeki etkisini vurgulamak için, farklı bileşiklerin örnekleri 100 x 100 x 4 mm3 plakalar halinde enjeksiyonla kalıplanmış ve TCC 918'de test edilmiştir (bkz. Şekil 1). Bu cihaz ısı salınımı, kütle kaybı ve duman gazının yoğunluğu ve bileşiminin belirlenmesini sağlamaktadır.
Ölçüm Nasıl Gerçekleştirilir
Testlere başlamadan önce, gaz analiz sistemi (Siemens Oxymat/Ultramat) calibrated ile calibration gazları ve C-faktörü tanımlanmış bir ısı salınımı ile metan brülörü kullanılarak kontrol edilmiştir. Kullanılan gaz analizörüO2 veCO2 seçeneği ile donatılmıştır. Konik ısıtıcı ısıtıldıktan sonra kapak kapatıldı ve numunenin bulunduğu yatay numune tutucu zemin plakasına monte edildi. Ardından, sistem ölçümün başlaması için otomatik olarak obtüratörü kaldırdı. Buharlaşan gazlar otomatik ateşleme sistemi tarafından ateşlenmiştir. Ölçüm koşulları Tablo 1'de özetlenmiştir.
Isı Salınımı, Duman Yoğunluğu ve Kütle Kaybı Nasıl Bağlantılıdır?
Gözlemlenen ilk etki ısı salınımıdır; bkz. şekil 2. Isı salınımı tüm numuneler için test başladıktan sonra 2 ila 3 dakika arasında başlarken, herhangi bir alev geciktirici içermeyen PE için (mavi çizgi) ısı salınımının arttığı ve yaklaşık 5 dakikada maksimuma ulaştığı görülebilir. Karşılaştırıldığında, genleşebilir grafit içeren her iki numune de çok daha düşük bir ısı salınımı göstermektedir ve etki daha yüksek miktarda genleşebilir grafit ile daha da güçlüdür (yeşil çizgi). Bu durum, şişen tabaka oluştuktan sonra grafitin bariyer özelliklerine işaret etmektedir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Örnek hoder | Yatay | |
| Isı akısı | 50 kW/m² | |
| Nominal kanal akış hızı | 24.0 l/s | |
Bir diğer önemli analiz de yangın sırasında dumanın gelişimidir. Bu, azalan iletimin artan duman yoğunluğuyla ilişkili olduğu iletimdeki bir değişikliğin tespit edilmesiyle ölçülür. Şekil 3'te 3 örneğin ölçümleri karşılaştırılmaktadır. Tüm durumlarda, iletim yaklaşık 2 dakikalık test süresinden sonra azalmaya başlamaktadır. Saf PE durumunda, iletimin yaklaşık %30 oranında düştüğü görülebilir. FR içeren her iki örnekte de düşüş önemli ölçüde daha azdır; iletim kaybı ağırlıkça %10 genişletilebilir grafit ile sadece %20 ve ağırlıkça %20 genişletilebilir grafit ile %10'dur.
Numunenin yanması ve bunun sonucunda ortaya çıkan ısı salınımına numunelerin ağırlığında bir azalma eşlik eder. Ölçülen sonuçlar - bkz. Şekil 4 - ölçülen ısı salınımı ve iletimi ile de iyi bir uyum içindedir. En yüksek kütle kaybı saf PE numunesi için gözlenirken, bunu ağırlıkça %10 genişletilebilir grafit içeren numune takip etmektedir. En düşük kütle kaybı ise en yüksek miktarda FR içeren numune için ölçülmüştür: ağırlıkça %20 genleşebilir grafit.
Kütle kaybının başlangıcı yaklaşık iki dakika sonra tespit edilebilirken, ağırlıktaki değişim ilk olarak iletimdeki önemli düşüş ve ısı transferindeki artış gözlemlendiğinde güçlü bir şekilde belirginleşir.
Alev Geciktiricilerin Başka Ne Gibi Etkileri Olabilir?
Daha yüksek FR miktarları ısı salınımı, kütle kaybı ve iletim özelliğindeki artış üzerinde azaltıcı bir etkiye sahipken, viskozitedeki değişimin araştırılması ve işleme davranışı üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi gerekmektedir. Çoğu katkı maddesi gibi (akış arttırıcılar hariç) FR'ler de geniş bir kayma hızı aralığında eriyiğin viskozitesini arttırır; bkz. şekil 5. Bu durum ancak ekstrüzyon sıcaklığının artırılmasıyla belirli bir dereceye kadar dengelenebilir. Herhangi bir FR miktarının etkisi, kesme hızının bir fonksiyonu olarak bir kapiler reometrede incelenebilir.
Sonuç
Testten sonra farklı numunelerin görsel olarak karşılaştırılması, işlenmemiş PE'nin oksijen difüzyonu için bir yol sağlayarak önemli ölçüde daha fazla çatlak ve delik sergilediğini göstermektedir. Ayrıca, genleşebilir grafit artmaya devam etse bile ısı ve kütle transferinin sınırlı olduğu görülebilir. Bu nedenle, genleşebilir grafitin yangın geciktiriciliğinin kimyasal bir eylemden çok fiziksel bir eylemden kaynaklandığı sonucuna varılabilir.
Çalışma, genleşebilir grafitin PE için uygun bir alev geciktirici olduğunu ve burada incelenen FR içerik seviyeleri aralığında, daha yüksek miktarlarda FR kullanarak etkiyi artırmanın mümkün olduğunu göstermektedir.