Da die meisten Polymere die Brandschutznormen vor Ort nicht erfüllen, werden derzeit schwer entflammbare Kunststoffe entwickelt, die in der gesamten Transportindustrie in der Elektro- / Elektronikindustrie, Bauindustrie, Konsumgüter sowie in der Automobil-, Schienenfahrzeug- und Flugzeugherstellung eingesetzt werden können. Methoden können verwendet werden, um flammhemmende Polymere zu testen: UL94 V-Entflammbarkeitstest (vertikaler Test), konische Kalorimetrie, Mikroverbrennungskalorimetrie (MCC), thermogravimetrische und thermogravimetrische Analyse.
Entflammbarkeitstest basierend auf UL 94 V
UL94-Standards des U.S. Safety Testing Laboratory (UL) werden häufig als Richtwerte oder als Teststandard verwendet, um die Entwicklung von flammhemmenden Kunststoffen für chemische und Komposithersteller zu leiten, die anfänglich UL94 V verwendeten Schwerentflammbare Tests genehmigen Kunststoffe, die in den US-amerikanischen Elektro- / Elektroniksektor eindringen, aber mit dem fortschreitenden Prozess der Globalisierung ist dieser Test zu einem international anerkannten Grad geworden, der die Entflammbarkeit von Polymeren in allen Anwendungen demonstriert.
Abbildung 1 Testsatz (links) und Teststandard (rechts) (Quelle: LKT) zur Bestimmung der UL94 V-0, V-1,
Dieser Test erfordert einen Teststreifen (125 mm × 12,5 mm × Dicke) und eine 20 mm lange Methanflamme mit 50 Watt. In einem vertikalen Verbrennungstest (V-Test) zündet die Flamme die Testprobe zweimal 10 Sekunden lang jedes Mal, wenn die Flamme gezündet wird Anschließend wird mit Hilfe von Baumwolle die Abbrandzeit und das Abtropfen der Schmelze bewertet. Abbildung 1 zeigt den Standard für die Vorbehandlung der Probe, das Prüfverfahren und die Entflammbarkeitsbewertung von Kunststoffen.
In Abhängigkeit von seiner Dicke wurde das Material mit V-0, V-1 oder V-2 bewertet:
◆ UL94 V-0: innerhalb von 10 Sekunden selbstverlöschend, keine Schmelze tropft, nicht mehr als 30 Sekunden Restflamme.
◆ UL94 V-1: 30 Sekunden selbstverlöschend, keine Schmelze tropft, nicht mehr als 60 Sekunden Restflamme.
◆ UL94 V-2: Selbstverlöschend innerhalb von 30 Sekunden, eine Schmelze tropft.
UL 5V, 5VA und Vertreter 5VB strengere Brandklasse Kunststoff, 125 mm lang, 500 Watt Methan-Flamme vertikal ausgerichtete Teststreifen (125 mm x 12,5 mm x Dicke) der Zündung (Zündung erforderlich 5VB 5VA und horizontale Platten). Nur V . -2 oder mehr zusätzliche Stufen, bevor der Kunststoff auf größere Wandstärke des Materials zu Standard UL 5 V beurteilt nach diesen Pegel erreicht sind Standard:
◆ 5V: Flammenzündung fünfmal für 5 Sekunden und 5 Sekunden nach der Zündung fünfmal so aufgehängt ist, innerhalb von 60 Sekunden nach der Flamme oder Verbrennungs demonstriert; tropffreien Schmelze, enthaltende Baumwolle entzünden.
◆ 5VA, 5VB: 5 V zusätzlich zu den Anforderungen der Flammenzündung unter der horizontalen Platte 5VA: die Platine erlauben keine Durchbrennstelle (Loch); 5VB :. Nachdem man sichtbare Flamme Durchbrennen Punkt (Vertiefung).
Im Gegensatz zu anderen Brandversuchen besteht der beispiellose Vorteil der UL94-V-Prüfung darin, dass die Kunststoffgüten auf Wanddicken basieren. Ergebnisse von Entflammbarkeitstests an schwer entflammbaren und nicht flammhemmenden PC + ABS-Probekörpern unterschiedlicher Wandstärken Wie in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 UL94 V Feuerwiderstandsprüfungen auf Wanddickenbasis: Prüfergebnisse für schwer entflammbare und nicht flammhemmende PC + ABS (Quelle: LKT)
Der Nachteil ist, dass das UL94-V-Testgerät, das nur empirische und wissenschaftliche Nachweise betreibt und auswertet, einzigartige Vorteile in Zulassungen hat und daher für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen geeignet ist.
Das größte Problem bei UL-Brandverhalten ist, dass es vor allem Formteile (Probekörper) testet und die Entflammbarkeit auf Kunststoffrohstoffen basiert. Daher sind die Prüfergebnisse stark von den Verarbeitungsbedingungen abhängig (bis zu zwei Brandstufen). , Formkonstruktion (Abweichung bis zu einer Feuerwiderstandsklasse), relative Position von Anguss und Kavität, subjektive Bewertung zwischen Laboratorien innerhalb und außerhalb der Welt und Testauswertung ohne statistische Analyse (einmal fehlgeschlagene Stichproben, Tests Als unqualifiziert gelten).
Da der Probekörper nicht immer unter den gleichen Bedingungen hergestellt wird, kann der Test zum Formen des Teils verwendet werden, und das Ergebnis kann verzerrt sein Ein vernünftiger Weg, dies zu vermeiden, besteht darin, die Prozessbedingungen in den Brandbewertungstest einzubeziehen.
Feuer Kegelkalorimetrie Test
Für Brandtest eines Kegelkalorimeter Prozess verwendet, ist im Detail in den Standardregeln beschrieben.
Konische Heizwendel unter Bedingungen 0-100kW / m2 gleichmäßig abstrahlenden Oberfläche der Probengröße von 100mmx100mm xd (d bevorzugtem Dicke = 3 mm), und die Verbrennung in der Dickenrichtung (Fig. 2) der variablen thermischen Strahlungswärme Freigabe durch den Sauerstoffverbrauch Verfahren bestimmt wird, ist das Prinzip, dass der Wärmeverbrauch des freigesetzten Sauerstoff pro Kilogramm 13,1 MJ war.
Figur 2 Kegelkalorimetrie Prüfeinrichtung gezeigt (Quelle: LKT)
Während des Tests wurde die pro Flächeneinheit freigesetzte Wärmemenge und die entsprechende Einbrennzeit berichtet. Die durch das Kegelkalorimeter erhaltenen Testergebnisse wiesen die folgenden Parametereigenschaften auf: Zündzeit (TI), Wärmefreisetzungsrate (HRR). Maximale Wärmefreisetzungsrate (PHR), Gesamte Wärmefreisetzung (THR), Gesamtvolumen von CO und CO2, Rauchkonzentration.
Die Eigenwerte der flammwidrigen und nicht flammhemmenden PC + ABS-Proben, die mit einem Kegelkalorimeter gemessen wurden, sind in 3 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Zündzeit des Flammverzögerers PC + ABS etwa 75% länger ist, Die maximale Wärmefreisetzung beträgt nur etwa 50% der nicht flammhemmenden Probe, weshalb die Flammschutzprobe die UL94 V-0-Bewertung und die PC + ABS-Harz nicht erreicht.
Abbildung 3 Kegelkalorimetrie: Flammhemmende und nicht flammhemmende PC + ABS-Kurven werden in einem Kegelkalorimeter bei einem Wärmefluss von 50 kW / m2 gemessen (Quelle: LKT)
Die Vielzahl von Eigenschaften, die Kunststoffe für Brandreaktionen benötigen, erfordern mehr Zeit, Kosten und Prüfaufwand als der UL94 V-Test, der durch die Methode der Probenherstellung begrenzt ist, die zur Prüfung dünnwandiger Materialien eingesetzt wird (d <1mm)时不够精准。
Mikro-Verbrennungskalorimetrie (MCC)
Der Vorteil der Mikrokalorimetrie besteht darin, dass sie prozessunabhängig ist und die Verarbeitungsfolgen durch Inspektion der Pellets und Teilproben vor der Verarbeitung ableiten kann. Eine kleine Portion Kunststoff (2-3 mg) wird mit einem Inertgas behandelt (z. B. Stickstoff) erhitzt durch eine Heizspule, die die Kammer umgibt (Abbildung 4). Nachdem die Heizung und Stickstoffversorgung unterbrochen wurden, entzündete der externe Zünder das freigegebene brennbare Gas und lieferte Sauerstoff. Die Menge der freigegebenen Hitze wurde durch das Sauerstoffverbrauchverfahren bestimmt. Während des Tests, Die pro Materialeinheit freigesetzte Wärme und die entsprechende Probentemperatur sind markiert (Abbildung 5).
Abbildung 4 Mikro-Kalorimeter-Testgerät Symbol (Quelle: LKT)
Die Eigenwerte der getesteten flammhemmenden und nicht flammhemmenden PC + ABS-Blends sind in 6 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das flammhemmende Gemisch eine Temperaturänderung verursachte, die einer maximalen Massenänderung von etwa 95 K (von etwa 445 ° C) entspricht Etwa 540 ° C. Die Wärmefreisetzungsrate der Flammschutzmittelmischung wurde im Durchschnitt um etwa 130 W / g verringert. Die Streuung (Peakdifferenz) der Wärmefreisetzungsrate von PC + ABS betrug 80 W / g, obwohl die Wärmefreisetzungsrate signifikant reduziert wurde. Das Verbrennungsgemisch ist 10 W / g höher Der Grund für die große Streuung der Testergebnisse ist die ungleiche Verteilung der Additive in den Pellets.
Abbildung 5 MCC mit Eigenwert (Quelle: LKT)
Thermogravimetrische und thermogravimetrische Analyse (TGA)
Thermogravimetrische Prüf- und Messgeräte und Testverfahren in der thermogravimetrischen Analyse der ISO 11385 und DIN 51006 hergestellt in genormt. Kunststoff als 5-10 mg des Probenbeobachtungs 0-50K / min (typischerweise 20 K / min) von Aufheizgeschwindigkeit auf die Masse der Probe durch die Temperatur und die Zeit am höchsten 1000 ° C zur Erleichterung des Vergleichs und des Verständnisses beeinflusst wird, Fig. 7 des Differenzsignals, das sich mit der Temperatur dm / dt (derivat Thermogravimetrie Messung variiert, ausgedrückt in Masse-% Temperatur ein Ableitungser Kurve) zeigt die Testergebnisse in Form von feuerhemmenden und nicht-flammhemmenden Mischung + ABS-PC.
Die Messergebnisse der 6 MCC:. Nicht-FR PC + ABS (links) und flammhemmende PC + ABS (rechts) (Quelle: LKT ES)
Es kann gesehen werden, dass es zwei unterschiedliche charakteristische Peaks für PC + ABS gibt, eines bei 458 ° C für ABS und eines bei 538 ° C für PC. Die Peaktemperatur der Flammschutzmittelmischung variiert zwischen 476 ° C und 547 ° C. Ausgedrückt als größte Änderung der Masse und / oder Exotherme, was einer Änderung von etwa 95 K entspricht und somit im Bereich der Ergebnisse der Mikrokalorimetrie liegt.
Fazit
Diese Tests bewerten nicht genau die Feuerreaktion der obigen flammhemmenden und nicht flammhemmenden PC + ABS-Mischungen, aber dies spielt keine Rolle, sondern diese Ergebnisse veranschaulichen die Grenzen der verwendeten Methoden, entweder ohne eine fundierte wissenschaftliche Grundlage (UL94 ), Oder das Fehlen eines klaren und konsistenten Standards in der Praxis zur Bewertung und zum Vergleich der Wirksamkeit von feuerhemmenden Kunststoffbrandschutzmaßnahmen.TGA und MCC ergaben ähnliche Ergebnisse bezüglich der Zersetzungstemperatur, jedoch lieferte TGA keine Informationen über das Verhalten von Kunststoffverbrennung. Der Materialentwicklungsprozess ist eine praktische Hilfe, kann aber die Form und Struktur des Verbrennungsverhaltens nicht erklären.
Abbildung 7 Derivatisierung thermogravimetrische Methode: Flammschutzmittel PC + ABS (gelb) und nicht flammhemmend PC + ABS (grün) (Quelle: LKT)
Um den Zusammenhang zwischen Entflammbarkeit und Material, Form und Verarbeitungsbedingungen zu verdeutlichen, brauchen wir neue Wege, um die Reaktion auf Feuer wissenschaftlich zu quantifizieren und schnell auszuführen sowie Form und Struktur zu verändern, die Flamme dem Teil entsprechend anzupassen und den Rauch zu analysieren. Der Test eignet sich ideal für Proben mit unterschiedlichen Wanddicken - Proben, die mit einem Campus-Formsystem oder einer Spritzgießmaschine mit einer Schnecke mit einem Durchmesser von 25-30 mm hergestellt wurden, mit unterschiedlichen Probenformen und Herstellungsbedingungen Komponenten und ungeprüfte Konfigurationen können durch neuronale Netzwerke vorhergesagt werden.
Das neue Schlüssellabor des Bayerischen Polymerforschungsinstituts (BPI) an der Friedrichs-Universität in Nürnberg beschäftigt sich mit den neuesten Methoden zur Analyse von Pellets und zweidimensionalen Proben.