В современных промышленных областях, полипропилен, армированный стекловолокном (PP/GF) Благодаря своей низкой плотности, превосходной термостойкости и ползучести, а также высокому соотношению цены и производительности, он стал «восходящей звездой» в таких отраслях, как электроника, аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение Этот материал часто используется для производства легкие и тонкостенные компоненты как заменитель стали и обычных инженерных пластиков .

Однако сам полипропилен является горючим материалом с предельным кислородным индексом (ПКИ) всего около 17,0%. При горении он образует большое количество пылающих капель и выделяет значительное количество тепла. Хотя добавление стекловолокна (СВ) в некоторой степени смягчает каплеобразование, так называемый «фитильный эффект» СВ увеличивает время горения и увеличивает тепловыделение. Поэтому в критически важных для безопасности областях применения огнезащитная обработка ПП/СВ является незаменимой.

Стоит отметить, что некогда широко используемая бром-сурьмяная система антипиренов была ограничена как внутри страны, так и за рубежом из-за токсичного дыма, выделяемого при горении. Например, декабромдифениловый эфир и другие бромированные антипирены уже запрещены.

В качестве альтернативы, безгалогеновые фосфорно-азотные вспучивающиеся огнезащитные системы привлекают внимание в области полиолефинов благодаря своей экологичности и экономичности. Например, пиперазинпирофосфат (PAPP) содержит фосфор и азот, а также большое количество гидроксильных групп, что позволяет ему одновременно выступать в качестве «источника кислоты» и «источника углерода» в вспучивающейся огнезащитной системе. В данном исследовании PAPP был смешан с меламинполифосфатом (MPP) для получения вспучивающегося огнезащитного состава на основе PAPP. Под постоянной нагрузкой антипирена Систематически исследовалось влияние содержания стекловолокна на эксплуатационные характеристики композитов ПП/СВ.

Как содержание GF влияет на эксплуатационные характеристики материала?

1. Значительное улучшение огнестойкости (GF < 30%)
С увеличением содержания стекловолокна (СВ) огнезащитные свойства композитов ПП/СВ улучшаются. С одной стороны, более высокое содержание СВ означает меньшую долю ПП-матрицы, что снижает образование горючих фрагментов при термическом разложении. В то же время СВ снижает скорость течения расплава, эффективно устраняя проблемы капания в тонких образцах и позволяя материалу легче проходить испытания на вертикальное горение. С другой стороны, углеродный слой, образованный антипиреном посредством механизма «твердофазного обугливания», может плотно покрывать поверхность образца, не подвергаясь воздействию остатков СВ при высокой температуре, тем самым изолируя тепло и кислород и уменьшая выделение горючих летучих веществ.

2. Изменения термической стабильности
Введение ГФ в полимерные материалы позволяет эффективно оптимизировать множество физических свойств. С одной стороны, ГФ значительно повышает размерную стабильность композита, делая его менее склонным к деформации в изменяющихся условиях окружающей среды. С другой стороны, заметно повышается температура тепловой деформации (HDT) материала, что значительно улучшает его стойкость к высоким температурам. Введение ГФ изменяет термическую стабильность материала. Хотя оно снижает начальную температуру термического разложения огнестойких композитов ПП/ГФ, оно значительно повышает их стабильность при высоких температурах. Экспериментальные данные показывают, что при увеличении содержания ГФ до 25% в образце № 4 достигается уровень обугливания 39,4% при 700 °C. Это свидетельствует о том, что при повышенных температурах выделение горючих газов значительно снижается, в то время как образуется больше негорючих твердых карбидов. В воздушной атмосфере, вследствие термоокислительной деструкции, начальная температура разложения ниже, чем в азотной атмосфере. Однако при высоких температурах остаток угля в образцах с различным содержанием ГФ остается выше, чем в образцах без ГФ, что можно объяснить присущей ГФ высокотемпературной стабильностью, поскольку он менее подвержен разложению.

3. Двойное воздействие на эффективность сгорания
Под действием внешнего теплового излучения антипирен FR-1420 образует на поверхности образца изолирующий углеродный слой за счёт вспучивающегося обугливания. Экспериментальные результаты показывают, что для образца № 1 без ГФ толщина углеродного слоя увеличилась до толщины около 2,5 см, в то время как для образца № 2 с 15% ГФ толщина углеродного слоя увеличилась примерно до 6,2 см. Однако при дальнейшем увеличении содержания ГФ толщина углеродного слоя уменьшилась примерно до 5,0 см (образец № 4). Это явление объясняется высокой термической стабильностью ГФ: он может служить «углеродным скелетом», поддерживающим расширение угля, но избыточное количество остатка ГФ при высоких температурах препятствует дальнейшему росту углеродного слоя.

Следует отметить, что введение ГФ не повлияло на ключевые параметры горения материала, такие как пиковая скорость тепловыделения (PHRR), что свидетельствует об удовлетворительных общих показателях пожарной безопасности. Более того, благодаря инертной природе ГФ и уменьшению доли матрицы ПП, выделение горючих летучих веществ при горении уменьшилось, в то время как больше негорючих твердых остатков сохранялось при повышенных температурах. Как показывает кривая зависимости массы от времени, образцы с ГФ демонстрировали более высокую остаточную массу при высоких температурах с меньшим тепловыделением и дымообразованием. Индексы пожарной безопасности, такие как индекс скорости распространения огня (FIGRA) и максимальная средняя скорость тепловыделения (MAHRE), не показали существенных изменений.

Выводы

Безгалогеновый антипирен FR-1420 демонстрирует высокую огнестойкость в композитах ПП/СВ. При одинаковом содержании антипирена более высокое содержание СВ приводит к повышению огнестойкости.

Хотя ГФ снижает начальную температуру термического разложения, он повышает термическую стабильность при высоких температурах.

В испытаниях с использованием конусной калориметрии ГФ действует как «углеродный скелет», увеличивая толщину расширения углерода и одновременно снижая общее тепловыделение (THR) и общее дымообразование (TSP), тем самым значительно улучшая показатели пожарной безопасности композитов ПП/ГФ.