Испытание полиолефиновых материалов на огнестойкость
Огнестойкость материалов оценивается в первую очередь с точки зрения воспламеняемости, распространения пламени и тепловыделения. Как правило, стандарты оценки и испытаний огнезащитных характеристик в значительной степени одинаковы для различных типов огнезащитных материалов. Во время горения полиолефиновых материалов, из-за их склонности к образованию капель расплава, их эффективность распространения пламени становится наиболее важным фактором. Распространяемость пламени обычно проверяют методами горизонтального и вертикального горения. Однако для полиолефиновых материалов вертикальное горение имеет тенденцию быть более интенсивным, чем горизонтальное, что приводит к образованию большего количества пылающих капель. Таким образом, при производстве и применении полиолефиновой продукции конечные пользователи также больше озабочены характеристиками вертикального горения огнестойких полиолефинов.
Для проверки характеристик огнестойких материалов были установлены многочисленные международные и национальные стандарты. В этой главе будут представлены несколько простых, удобных и наиболее часто используемых методов лабораторных испытаний для оценки огнестойкости полиолефиновых материалов.
I. Лаборатории страховщиков испытаний UL-94
разработали метод испытаний UL-94 для оценки воспламеняемости пластиковых деталей, используемых в оборудовании и электроприборах.
UL-94 — это стандарт испытаний, который в первую очередь фокусируется на воспламеняемости и распространении пламени пластмасс и был принят в качестве стандартного метода испытаний во многих странах. Этот метод испытаний включает пять процедур испытаний и категорий оценки:
1. Испытание на горизонтальное горение пластмасс: рейтинг HB.
2. Испытание на вертикальное горение пластмасс: рейтинг V-0, V-1 или V-2.
3. Испытание на вертикальное горение мощностью 500 Вт (125 мм): номинал 5VA или 5VB.
4. Испытание на распространение пламени излучающей панели: испытание на вертикальное горение тонкого материала, рейтинг VTM-0, VTM-1 или VTM-2.
5. Испытание на горизонтальное горение вспененного пластика: рейтинг HBF, HF-1 или HF-2.
В следующем разделе основное внимание уделяется наиболее часто используемому испытанию на вертикальное горение пластика.
Испытание на вертикальное горение UL-94 — это один из методов испытания пластика на воспламеняемость, разработанный Underwriters Laboratories и широко принятый во всем мире. Он может указывать на характеристики воспламеняемости, капания и самозатухания образцов в определенных условиях испытаний. Стандартные размеры образца: 3,2 мм (или 2,4 мм, или 1,6 мм, или 0,8 мм) × 12,7 мм × 127 мм. Каждый набор состоит из 5 экземпляров. Каждый образец поджигают дважды, длительность каждого зажигания составляет 10 секунд. После удаления источника возгорания фиксируют время воспламенения и послегорания пламени, а также появление капель горения. Для достижения рейтинга V-0 время горения каждого образца после каждого воспламенения не должно превышать 10 секунд. Для V-1 или V-2 оно не должно превышать 30 секунд. При втором розжиге для достижения V-0 время горения после устранения пламени не должно превышать 30 секунд. Для V-1 или V-2 оно не должно превышать 60 секунд. Для достижения рейтинга V-0 общее время горения всех 5 образцов после 10 воспламенений не должно превышать 50 секунд. Для Фау-1 или Фау-2 оно не должно превышать 250 секунд. Ни один образец не должен иметь воспламенения или возгорания после пламени вплоть до зажима. Для достижения рейтинга V-0 или V-1 не должно быть возгорания хирургической ваты из-за капающих частиц. В противном случае рейтинг V-2. Соответствующий рейтинг присваивается только в том случае, если все пять требований соответствуют минимальным критериям данного уровня.
II. Испытание предельного кислородного индекса
Метод предельного кислородного индекса (LOI) является широко используемым испытанием для оценки воспламеняемости полиолефиновых материалов. Образец устанавливается вертикально в колонне горения, через него вверх течет смесь кислорода и азота. Верхняя часть образца воспламеняется. Если образец не воспламеняется в течение 30 секунд, концентрация кислорода увеличивается. После достижения устойчивого горения источник воспламенения удаляют и одновременно наблюдают за временем горения и длиной образца. Если время горения превышает 3 минуты или длина горения превышает 5 см, испытание повторяют с новым образцом при более низкой концентрации кислорода. В конечном итоге определяют минимальную концентрацию кислорода (выраженную в объемных процентах кислорода в смеси), при которой только поддерживается устойчивое горение, при котором образец гаснет в течение 3 минут после удаления источника возгорания или длина горения не превышает 5 см. Это значение является кислородным индексом материала. Хотя тестовая среда LOI не полностью имитирует реальные условия пожара, она обеспечивает конкретные числовые значения. Это более выгодно для оценки различий в огнестойкости между образцами, модифицированными разными огнезащитными составами на основе одной и той же базовой смолы. Метод предельного кислородного индекса является идеальным методом скрининга для оценки огнезащитных образцов или составов.
III. Метод испытаний с помощью конусного калориметра
Метод испытаний с помощью конусного калориметра (CONE) позволяет получить многочисленные параметры сгорания посредством мелкомасштабного сжигания образцов материала. Это обеспечивает значительную справочную ценность для изучения механизмов огнестойкости модифицированных огнестойких полиолефинов. Его принцип основан на потреблении кислорода, т. е. теплота, выделяющаяся при сгорании материала, всегда пропорциональна количеству кислорода, потребляемого в процессе горения. Прибор называется конусным калориметром, названным в честь формы конического нагревателя. Это аппарат нового поколения для определения характеристик горения полимерных материалов, основанный на принципе измерения изменений потребления кислорода в системе сгорания до и после испытаний. Различные параметры сгорания горючих материалов при пожарах можно получить из CONE, включая скорость тепловыделения (HRR), общее количество выделяемого тепла (THR), эффективную теплоту сгорания (EHC), параметры дыма и токсичности, а также скорость потери массы (MLR) и другие. Изменения этих параметров позволяют моделировать воздействие различных материалов на окружающую среду и людей, оказавшихся в реальных пожарах.
Скорость тепловыделения означает скорость выделения тепла на единицу площади образца, измеряемую в кВт/м². CONE обеспечивает динамическое изменение HRR во времени в процессе горения полимерных материалов. Максимальное значение HRR — это пиковая скорость тепловыделения (PHRR).
HRR является одним из наиболее важных параметров поведения горения. Его величина отражает интенсивность горения материала. Более высокий HRR или PHRR указывает на более сильную способность огня излучать тепло в окружающую среду. С одной стороны, это может привести к более серьезным ожогам у попавших в ловушку людей. С другой стороны, интенсивное и быстрое выделение тепла возвращается к поверхности полиолефинового материала, ускоряя скорость термического разложения базовой смолы, тем самым создавая более летучие низкомолекулярные газы. Эти газы могут привести к отравлению и удушью попавших в ловушку людей, а их воспламеняемость ускоряет распространение огня. Поэтому снижение HRR и PHRR полиолефиновых материалов будет наиболее эффективным методом снижения опасности материалов при реальных пожарах.
Общее количество выделенного тепла — это общее количество тепла, выделяемого на единицу площади материала от начала до конца сгорания, измеряемое в МДж/м². Что касается эффективной теплоты сгорания летучей части, более высокий THR указывает на то, что полиолефиновый материал выделяет больше тепла в течение всего процесса сгорания, что означает большую опасность полиолефинового материала при пожаре. Если HRR отражает характеристики перекрытия и распространения испытуемого образца, то THR отражает стойкость испытуемого образца во время горения.
Эффективная теплота сгорания относится к отношению измеренного тепловыделения к потере массы в данный момент, т.е. единица тепла, выделяемая при горении небольших молекул летучих газов, образующихся при термическом разложении, измеряется в МДж/кг. Во время горения, когда значение EHC испытуемого образца стабилизируется, это позволяет предположить, что модифицированный материал, вероятно, обладает огнестойкостью в конденсированной фазе, препятствуя выделению и утечке низкомолекулярных горючих газов и снижая степень их сгорания в пламени.
Конусные калориметры обычно оснащены устройствами измерения дыма. Они могут проверять такие параметры, как удельная площадь гашения (SEA, м²/кг, площадь гашения дыма, выделяющегося на единицу массы образца во время сгорания), общее дымообразование (TSP, м³/м², объём дыма, выделяющегося на единицу площади материала), скорость дымообразования (SPR, м²/с, площадь гашения дыма, образующегося в единицу времени при горении), а также концентрации токсичных и вредных газов, таких как окись углерода и углекислый газ. Параметры дыма и токсичности не обязательно связаны со значениями HRR. Однако массовое выделение дыма при реальных пожарах является решающим фактором, влияющим на эвакуацию персонала и спасательные усилия пожарных. Поэтому они являются еще одним важным аспектом оценки опасности материалов при реальных пожарах.
Скорость потери массы — это скорость изменения массы полимерного материала во время сгорания, измеряемая в г/с. Он отражает скорость термического разложения, улетучивания и степень горения полимера при определенной интенсивности горения. Более низкое значение указывает на меньшее образование низкомолекулярных летучих газов из-за сгорания и лучистого тепла при пожаре, тем самым снижая потенциальный вред, причиняемый материалом.
Испытание конусной калориметрии полиолефиновых смол проводится в соответствии с GB/T 16172-2007 с использованием образцов размерами 100×100×10 мм.
IV. Заключение
Испытание полиолефинов на огнестойкость — это жесткое соревнование, основанное на данных: от вертикального горения UL-94 до предельного кислородного индекса и кривых выделения тепла и дыма, полученных с помощью конусного калориметра, каждый этап количественно определяет истинный рейтинг безопасности материала. Выбор правильного метода испытаний и понимание механизмов горения, лежащих в основе полученных данных, являются ключом к поиску оптимального баланса между эффективностью и стоимостью безгалогенных составов, что действительно превращает «горючие» полиолефины в «огнестойкие» защитные барьеры.
