Поскольку большинство полимеров не соответствуют стандартам пожарной безопасности на месте, в настоящее время разрабатываются огнезащитные пластмассы, которые могут использоваться во всей отрасли транспорта в электротехнической промышленности, строительной промышленности, потребительских продуктах и автомобильной, железнодорожной и авиационной промышленности. Методы могут быть использованы для тестирования огнезащитных полимеров: UL94 V тест на воспламеняемость (вертикальный тест), коническую калориметрию, калориметрию микросгорания (MCC), термогравиметрический и термогравиметрический анализ.
Испытание на воспламеняемость на основе UL 94 V
Стандарты UL94, используемые лабораторией безопасности США (UL), часто используются в качестве эталонных тестов или в качестве тестового стандарта для руководства разработкой огнезащитных пластиков для химических и композитных производителей. UL первоначально использовал UL94 V Испытания на огнестойкость подтверждают, что пластмассы попадают в электрическое / электронное поле США, но по мере прогрессирования процесса глобализации этот тест стал признанным на международном уровне классом, который демонстрирует воспламеняемость полимеров во всех приложениях.
Рисунок 1 Набор тестов (слева) и стандартный тест (справа) (источник: LKT), используемый для определения UL94 V-0, V-1,
Этот тест требует тест-полоски (125 мм х 12,5 мм х толщины) и 50-ваттного метанового пламени длиной 20 мм. В испытании на вертикальное горение (испытание V) пламя зажигает образец дважды в течение 10 секунд при каждом зажигании пламени Затем, с помощью хлопка, оценивают время выгорания и капание расплава. На рисунке 1 показан стандарт предварительной обработки образца, процедура испытания и показатель воспламеняемости пластических материалов.
В зависимости от его толщины материал оценивался как V-0, V-1 или V-2:
◆ UL94 V-0: самозатухание в течение 10 секунд, отсутствие капель расплава, оставшееся не более 30 секунд пламени.
◆ UL94 V-1: самозатухание 30 секунд, отсутствие капель расплава, оставшееся не более 60 секунд пламени.
◆ UL94 V-2: самозатухание в течение 30 секунд, капание расплава.
UL 5 V, 5 VA и 5 V B представляют собой более плотные показатели огнестойкости и 125-миллиметровое, 500-ваттное метановое пламя зажигает вертикально ориентированные тест-полоски (125 мм x 12,5 мм x толщина) Пластмассы выше класса -2 подвергаются дополнительным номиналам на основе стандарта UL 5V для материалов с большей толщиной стенки. Критерии для достижения этого уровня:
◆ 5V: пламя зажигается пять раз, каждые 5 секунд, а затем пауза в течение 5 секунд. После пятикратного зажигания в течение 60 секунд нет остаточного или остаточного пламени, нет капель расплава, включая воспламенение хлопка.
◆ 5VA, 5VB: зажигайте пламя под горизонтальной пластиной в дополнение к требованию 5V. 5VA: на плате не допускается сквозная точка (отверстие); 5VB: разрешить видимую точку просачивания (отверстие) после пламени.
В отличие от других испытаний на огнестойкость, непревзойденным преимуществом теста UL94-V является то, что пластиковые марки основаны на толщине стенки. Результаты испытаний на воспламеняемость на огнестойких и не огнестойких PC + ABS-образцах различной толщины стенки Как показано в таблице 1.
Таблица 1 Испытание на огнестойкость UL94 V на толщину стенки: результаты испытаний для огнестойких и не огнестойких ПК + АБС (источник: LKT)
Недостатком является то, что тестовое устройство UL94-V, которое работает и оценивает только эмпирические и научные данные, имеет уникальные преимущества в одобрениях и поэтому подходит для использования в широком спектре применений.
Самая большая проблема с оценкой огнестойкости UL заключается в том, что она в первую очередь тестирует формованные детали (образцы для испытаний), а уровни воспламеняемости основаны на пластмассовом сырье. Поэтому результаты испытаний очень сильно зависят от условий обработки (до двух уровней пожара) , Дизайн пресс-формы (отклонение до уровня пожара), относительное положение ворот и полости, субъективная оценка между лабораториями внутри и во всем мире и оценка теста без статистического анализа (как только образец выходит из строя, тесты Считается неквалифицированным).
Поэтому, поскольку образец испытания не всегда производится в тех же условиях, испытание может быть использовано для формования детали, и результат может быть смещен. Разумным способом избежать этого является включение условий процесса в испытание на огнестойкость.
Испытание пожара калориметра конуса
Процедура проведения огневого испытания с использованием конического калориметра подробно описана в стандартных правилах.
Пирамидальная нагревательная катушка равномерно излучает поверхность образца, имеющего размер 100 мм × 100 мм × d (d предпочтительной толщины = 3 мм) при условии переменного теплового излучения от 0 до 100 кВт / м 2 и ожога в направлении толщины (фиг. Выделенное количество определяется методом потребления кислорода на основе принципа, согласно которому количество выделяемого тепла на кг потребляемого кислорода составляет 13,1 МДж.
Рисунок 2 Настройка теста калориметра конуса (Источник: LKT)
Во время испытания сообщалось количество тепла, выделяемого на единицу площади и соответствующее время горения. Результаты испытаний, полученные с помощью конического калориметра, имели следующие характеристики параметров: время воспламенения (TI), скорость выделения тепла (HRR) Максимальная теплоотдача (PHR), общее тепловыделение (THR), общий объем CO и CO2, концентрация дыма.
Собственные значения огнестойких и непламенных замедлителей PC + ABS, измеренные с помощью конического калориметра, показаны на рисунке 3. Можно видеть, что время воспламенения антипирена PC + ABS примерно на 75% больше, Максимальное тепловыделение составляет лишь около 50% пробы, не содержащей пламени, поэтому образец, замещающий пламя, достигает UL94 V-0, а полимер PC + ABS - нет.
Рисунок 3 Конусная калориметрия: огнестойкие и не огнестойкие кривые PC + ABS измерялись в коническом калориметре при тепловом потоке 50 кВт / м2 (источник: LKT)
Широкий диапазон свойств, требуемых для реакций пожаротушения, требует больше времени, затрат и усилий по тестированию, чем испытание UL94 V, которое ограничено методом производства образцов, которое используется для испытания тонкостенных материалов (d <1mm)时不够精准。
Калориметрия с низким сгоранием (MCC)
Преимущество микрокалориметрии заключается в том, что она не зависит от процесса и способна вывести эффекты обработки путем проверки гранул и образцов образцов перед обработкой. Небольшая часть пластика (2-3 мг) обрабатывается инертным газом (например, Азот), нагретый нагревательной катушкой, окружающей камеру (рис. 4). После прекращения подачи тепла и подачи азота внешний воспламенитель загорелся выпущенным горючим газом и подавал кислород. Количество выделяемого тепла определялось методом потребления кислорода. Отмечено тепло, выделяемое на единицу материала и соответствующую температуру образца (рис. 5).
Рисунок 4 Значок устройства для тестирования калориметра с микроожигом (Источник: LKT)
Собственные значения испытуемых антипиренов и непламяностойких смесей PC + ABS показаны на рисунке 6. Можно видеть, что смесь замедлителя пламени вызывала изменение температуры, соответствующее максимальному изменению массы около 95 К (от примерно 445 ° С Около 540 ° С. Скорость выделения тепла в смеси огнезащитного состава была снижена в среднем примерно на 130 Вт / г. Разброс (пиковая разница) скорости выделения тепла ПК + АБС составлял 80 Вт / г, хотя скорость выделения тепла была значительно снижена, Смесь горения на 10 Вт / г выше. Причина большого разброса результатов испытаний заключается в неравномерном распределении добавок в гранулах.
Рисунок 5 MCC с собственным значением (Источник: LKT)
Термогравиметрический и термогравиметрический анализ (ТГА)
Термогравиметрические и термогравиметрические испытательные установки и процедуры испытаний были стандартизованы в ISO 11385 и DIN 51006. Образцы были приготовлены из 5-10 мг пластика и наблюдались при 0-50 К / мин (обычно 20 К / мин) Масса образца зависит от температуры и времени при нагревании до максимума 1000 ° C при скорости нагрева. Для сравнения и понимания на рисунке 7 показан дифференциальный сигнал dm / dt в зависимости от температуры (полученный термогравиметрический метод, в%, массовая температура Полученные кривые результаты) в виде огнестойких и не огнестойких результатов теста PC + ABS.
Рисунок 6 Результаты измерений MCC: невоспламеняющийся ПК + ABS (слева) и огнестойкий ПК + ABS (справа) (источник: LKT)
Как вы можете видеть, PC + ABS имеет два характерных пика, один при 458 ° C для АБС и один на ПК 538 ° C. Пиковая температура смеси замедленного действия колеблется от 476 ° C до 547 ° C, Выражается как наибольшее изменение массы и / или экзотермичности, что соответствует изменению около 95 К и, следовательно, находится в пределах диапазона результатов микрокалориметрии.
эпилог
Эти тесты не точно оценивают огнестойкость вышеупомянутых антипиренов и невоспламеняющихся пластиков PC + ABS, но это не имеет значения, а скорее эти результаты иллюстрируют ограничения методов, используемых либо без надежной научной основы (UL94 ), Или отсутствие четкого и последовательного стандарта на практике для оценки и сопоставления эффективности огнезащитных мер по предотвращению пожара. TGA и MCC дали аналогичные результаты по температуре разложения, но TGA не предоставила никакой информации о пламени. Процесс разработки материалов - практическая помощь, но не может объяснить форму и структуру поведения горения.
Рисунок 7 Термогравиметрический метод дериватизации: огнестойкий ПК + АБС (желтый) и невоспламеняющийся ПК + АБС (зеленый) (источник: LKT)
Поэтому для того, чтобы проиллюстрировать взаимосвязь между воспламеняемостью и материалами, формой и условиями обработки, нам нужны новые способы научного количественного определения реакции на огонь и быстрого выполнения, а также изменения формы и структуры, регулировки пламени на деталь и анализа дыма. Испытание идеально подходит для образцов различной толщины стенок - образцов, изготовленных системой плесени Кампуса, или литьевой машины, оснащенной винтом диаметром 25-30 мм, с изменчивостью формы образца и условий производства Компоненты и неконтролируемые конфигурации могут быть предсказаны нейронными сетями.
Новая ключевая лаборатория Баварского исследовательского института полимеров (BPI) в Университете Фридрихса в Нюрнберге, Германия, изучает новейшие методы анализа систем для проверки гранул и двумерных образцов.