Огнезащитные добавки
Органомодифицированные силоксаны
Огнестойкие пластмассы способны защитить людей от распространения огня, предоставив дополнительное время для тушения пожара. Однако максимальный эффект от огнезащитных материалов на основе гидроксидов металлов достигается только в том случае, если при производстве таких соединений используются соответствующие технологические добавки. Так, совместно со своими партнерами компания Evonik разработала огнезащитные составы и продемонстрировала их эффективность в испытаниях на огнестойкость.
Как ни странно, но не все пожары одинаковы: бывают возгорания высокой сложности, средней и низкой. К первой категории принято относить те, которые распространяются по электропроводке. В таких случаях огонь может проникать даже в хорошо защищенные помещения. В данную группу также входят быстро распространяющиеся возгорания.
Для полного предотвращения огня в состав различных продуктов, таких как пластмассы, текстиль, деревянные изделия, краски, электронные и электрические устройства, вводятся огнезащитные компоненты. Соответствующие стандарты определяют степень защитного действия, которую должен гарантировать производитель для конкретной сферы применения.
При производстве кабельной изоляции огнезащитные соединения добавляются в ходе процесса экструзии. Однако они могут обладать значительными коррозийными или абразивными свойствами по отношению к производственному оборудованию. Поэтому уже около десяти лет компания Evonik выпускает для производителей кабелей добавки под маркой TEGOMER®, основанные на органомодифицированных силоксанах, служащих технологическими добавками в процессе экструзии. Опыт показал, что они сокращают потребление энергии и давление в головке экструдера, выступая в роли своего рода внутренней смазки, снижающей вязкость соединения. Также это уменьшает трение, а следовательно, и затраты на эксплуатацию оборудования.
Гидроксиды металлов
Гидроксиды металлов относятся к числу широко используемых по всему миру огнезащитных соединений. При пожаре они не образуют ни токсических газов, ни сажи. Главным образом применяются гидроксид алюминия (Al(OH)3, тригидрат алюминия (ТГА) и гидроксид магния (Mg(OH)2, дигидрат магния, ДГМ). При нагревании гидроксиды металлов высвобождают воду, которая, испаряясь, охлаждает материал. Это позволяет задержать распространение огня без образования токсичных газов.
Для того чтобы гидроксиды металлов давали ожидаемый эффект, должно быть высоким их содержание в смеси с горючими полимерами (более 60%). С точки зрения технологии обработки полимеров, у ТГА есть и другой недостаток: соединение высвобождает воду уже примерно 190°C. Температура плавления полимеров, достигаемая при экструзии, во многих случаях близка к этому значению, например, для ЭВА (этиленвинилацетат) или ПЭ (полиэтилен). ДГМ, с другой стороны, высвобождает воду только при температурах выше 300°C и поэтому используется даже при работе с ПП (полипропиленом) или ПА (полиамидом).
У компании Evonik есть партнеры в сфере огнезащитных соединений, среди которых Nabaltec, специализирующаяся на производстве ТГА. Именно специалисты Nabaltec помогли получить результаты оценки свойств огнезащитных соединений с помощью конического калориметра. Кроме того, компания Evonik построила собственные испытательные центры. Так, новый центр испытания пластмасс в Эссене теперь способен проводить тестирование на соответствие спецификациям стандарта воспламеняемости пластмассовых материалов UL 94, используя соединения, получаемые при помощи двухшнековых экструдеров.
Совместно с Nabaltec Evonik протестировала различные составы на основе ТГА с добавлением органомодифицированных силоксанов, обеспечивающих лучшее распределение ТГА и ДГМ в объеме материала. Добавки должны быть надлежащим образом адсорбированы на частицах ТГА. Для достижения этого возможны два варианта: постобработка ТГА органомодифицированными силанами (ОМС), введение ОМС в ходе смешивания компонентов для гидрофобизации гидроксидов металлов на месте. Результаты испытаний составов и тестовых серий материалов подтвердили правильность выбора данных подходов.
Для достижения эффективности в качестве огнезащитного соединения ТГА должен смешиваться с полимером в соотношении 63 – 65%, что позволяет получить высшую категорию огнестойкости по стандарту UL 94 – V-0. Благодаря добавкам Evonik столь же эффективную огнезащиту можно получить с меньшей долей ТГА в составе материала (ранее это было возможно только при использовании более высокой концентрации ТГА).
В зависимости от требуемой огнестойкости, необходимая пропорция соединения в материале составляет только 59 – 61%. Эти значения были подтверждены в испытаниях, проведенных на оборудовании, которое используется для определения класса огнестойкости.
Пластиковая изоляция с добавками Evonik
Использование органомодифицированных силоксанов расширяет свободу производителя в отношении состава материалов. Данные имеющихся измерений показывают, что добавки позволяют производителям повышать класс огнестойкости изоляционных материалов на 1 – 2 пункта. На рынке, где в последние несколько лет стандарты продолжают ужесточаться, такая возможность является неоценимым преимуществом.
Более того, при использовании добавок от Evonik комбинирование огнезащитного соединения и полимера положительно отражается на всех параметрах материала в сравнении с чистой смесью ТГА-полимер. Добавки обеспечивают более эффективное распределение гидроксида металла в расплаве. Большая свобода в отношении состава материалов позволяет значительно снижать побеление изоляции кабелей при изгибании. Также не происходит скручивания (перекручивания) кабелей, особенно часто встречающегося при прокладывании проводки на большие расстояния, например, в кабельных шахтах многоэтажных зданий. Кроме того, может уменьшаться поглощение воды, улучшающее качество изоляции из-за снижения проводимости.
В отношении огнезащиты добавки также могут улучшать формирование обуглившегося слоя на поверхности обгоревших материалов. Это крайне важное свойство, так как в случае пожара подобная корка предотвращает воздействие высоких температур или даже распространение прямого огня на внутренние структуры кабеля. Это позволяет получить запас времени для эвакуации и тушения пожара, а также задерживает возникновение короткого замыкания (из-за выгорания изоляции), которое может создать дополнительные сложности.
Используемые добавки позволяют добиться высокой механической стабильности материалов из смесей ТГА-полимер. При пожаре добавки образуют оксиды, например, SiO2, H2O и CO2, которые представляют собой негорючие твердые и газообразные вещества. Благодаря SiO2 происходит окремнение материала, а так как добавки в виде микрокапель распределены по всей длине оболочки кабеля, формируется опорная структура, обеспечивающая стабильность золы.
Благодаря ряду важных свойств, которыми органомодифицированные силоксаны наделяют огнезащитные соединения, проводимые компанией Evonik и ее партнерами испытания вызвали неподдельный интерес со стороны производителей кабелей. Применение добавок в составе огнезащитных соединений на основе гидроксидов металлов улучшает качество таких материалов, упрощает их использование и расширяет сферу использования.
Классы воспламеняемости. Испытание по стандарту UL 94
Для классификации огнезащитных соединений и оценки их использования в полимерных материалах, например, в изоляции кабелей, были разработаны различные методы. При испытаниях по стандарту UL 94 тестовые образцы подвергаются в лабораториях прямому воздействию огня. Мощность пламени и длительность воздействия также оговорены.
Существуют различные классы, к которым может быть отнесена огнестойкая пластмасса по результатам испытаний UL 94:
• V-2: затухание вертикально установленного образца в течение 30 секунд.
• V-1: то же, что и V-2; кроме того, не допускается образование капель расплавленного полимера.
• V-0: то же, что и V-1; кроме того, затухание пламени должно произойти в течение десяти секунд.
