Эксклюзив

Нанокомпозитные материалы в качестве системы, не распространяющей горение

Как правило, пожары возникают в результате сочетания различных факторов. Высокая интенсивность тепловыделения приводит к быстрому возгоранию и распространению пламени. От скорости тепловыделения также зависит интенсивность пожара, и поэтому намного более критическим фактором, чем воспламеняемость, является выделение токсичных газов или распространение пламени. От скорости тепловыделения зависит и время, в течение которого люди будут иметь возможность покинуть помещение, в котором возник пожар. Выделение дыма – ещё один фактор, способствующий дезориентации людей в темноте и мешающий им найти выход из помещения. С другой стороны, пожарным труднее организовать спасательные работы в темноте. Ежегодно примерно 5 000 человек погибают при пожаре в Европе и более 4 000 человек в Соединённых Штатах. Прямые материальные убытки составляют приблизительно 0,2% от валового внутреннего продукта, а суммарный ущерб от пожаров составляет около 1% от валового внутреннего продукта. Таким образом, необходимо разрабатывать не распространяющие горение материалы для уменьшения опасностей, связанных с пожарами. Полимеры используются всё шире в различных областях, требующих соответствующих механических, термических и электрических характеристик.

Одно из наиболее важных требований, предъявляемых к полимерам, нераспространение горения. В соответствии с установленными европейскими нормами в кабельной отрасли предусмотрено применение безгалогенных антипиренов, таких как, например, тригидрат окиси алюминия и гидроксид магния. Не распространяющие горение системы обладают в некоторых случаях следующими недостатками: они требуют очень высоких доз наполнителей в полимерной матрице для достижения соответствующего уровня нераспространения горения (например, в случае полимеров для производства кабелей и проводов). Недостатки таких высоких уровней наполнителей проявляются в высокой плотности и недостаточной гибкости конечных продуктов, низких механических свойствах и проблемах при составлении рецептуры и экструдировании. Новый класс материалов под названием «нанокомпозиты» лишён недостатков, характерных для традиционных систем антипиренов. В общем, термин «нанокомпозиты» описывает двухфазный материал с соответствующим нанонаполнителем (обычно это модифицированный монтмориллонит), диспергированным в полимерной матрице в нанометрическом (10-9м) масштабе. По сравнению с исходными полимерами соответствующие нанокомпозитные материалы обладают огромными преимуществами. Содержание модифицированных слоистых силикатов часто находится в пределах всего от 2 до 10 весовых процентов. Очень важное и интересное свойство слоистых полимерно-силикатных нанокомпозитных материалов связано с повышенной термостабильностью и способностью обеспечивать нераспространение горения при очень низких уровнях наполнителя. Это объясняется образованием термоизолирующего и в то же время проницаемого обуглившего слоя, сопровождающимся улетучиванием продуктов горения при пожаре. Низкое содержание наполнителя в нанокомпозитах, и в результате значительное повышение термостабильности, делает их исключительно привлекательными для потребителей, так как существенно удешевляется и упрощается процесс производства конечных продуктов.

Ответственным этапом формирования нанокомпозита является распределение соответствующих наполнителей на нанометрическом  уровне в полимерной матрице. Для определения и контроля формирования нанокомпозита распределение (дисперсия) наполнителя традиционно исследуется при помощи трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и рентгеновской дифракции (XRD). Эти методы достаточно трудоёмкие и дорогостоящие, поэтому интерес представляют и другие методы, например, простое испытание для проверки дисперсии путём введения 5 весовых процентов органоглины в полимерную матрицу. Испытание на нераспространение горения проводится аналогично испытанию в соответствии с вертикальным протоколом UL 94. Быстрое каплеобразование горящего полимера свидетельствует о классическом микрокомпозитном материале, в то время как в случае формирования нанокомпозита наблюдается образование прочного обуглившегося слоя, в результате чего до первых капель горящего полимера проходит намного больше времени. Это открывает возможности для определения протокола, по которому производится быстрый контроль качества нано-диспергируемого наполнителя и его распределения на нанометрическом уровне.

За последние десять лет исследования нанокомпозитов, как нового перспективного класса не распространяющих горение материалов, проводили группы учёных, как из университетов, так и из промышленности. На многочисленных международных конференциях обсуждались механизмы нераспространения горения нанокомпозитами, и в настоящее время эти механизмы стали яснее, хотя остались недостаточно изученными некоторые технические вопросы. Большая часть механистических исследований проводилась с использованием кон-колориметра. С технической точки зрения важно знать, какие именно опасности при возникновении пожара необходимо предотвратить, и только потом можно разработать стратегию для проведения измерений и возможных усовершенствований. В результате исследований, проведенных Национальным институтом стандартов и технологии (National Institute for Standards and Technology – NIST) в США, было сделано заключение, которое позволило значительно упростить методику определения опасности при пожаре: скорость выделения тепла (максимальное значение) является единственным самым важным параметром, который считается «движущей силой пожара». Таким образом, сегодня универсальным средством для испытания полимеров на распространение пламени считается кон-колориметр. Принцип измерения основан на зависимости между массой кислорода, потреблённого из воздуха, и количеством выделенного тепла. Нанокомпозиты, содержащие 5 весовых процентов органоглины, обеспечивают снижение на 50% пикового значения выделяемого тепла по сравнению с полимерами типа EVA (этиленвинилацетат). Увеличение содержания наполнителя не приводит к дальнейшему улучшению этого показателя. Было также продемонстрировано на ранних этапах исследований, что нанокомпозиты, основанные только на органоглине и соответствующем полимере, не являются антипиренами, достаточными для прохождения испытаний на распространение пламени. Было показано, что сочетание органоглины с классическими антипиренами (типа гидроокисей металлов, галогеносодержащих органических соединений и др.) приводит к интересному синергетическому эффекту. Рецептура на основе EVA плюс 60 весовых процентов ATH (гидроксид или тригидрат алюминия) и 3 весовых процентов органоглины обеспечивают достаточно эффективную защиту от распространения пламени.

Изучением нанокомпозитов, применяемых для изготовления не распространяющих горение кабельных компаундов, занимаются различные европейские кабельные компании, в частности Kabelwerk Eupen AG (Бельгия). Европейская кабельная промышленность заинтересована не просто в материалах, не содержащих галогенов и не распространяющих горение, а в чётких принципах определения соответствия этих материалов новым европейским нормам на конструкционные строительные материалы (European Construction Product Regulation - CPR), которые требуют использования не распространяющих горение компаундов более высокого уровня, чем применяемые сегодня традиционные композиции. Стандарт EN 50399 специфицирует испытательное оборудование и процедуры испытаний для оценки реакции кабелей на условия пожара в соответствии с нормами CPR. Применение нанокомпозитов позволяет легко классифицировать кабели с низким дымовыделением и нулевым содержанием галогенов в соответствии с евроклассами. Несмотря на все преимущества нанокомпозитов, нельзя не отметить некоторые нежелательные побочные эффекты, которые должны быть более детально исследованы в будущем. Дисперсия органоглины в полимерной матрице на нанометрическом уровне приводит к образованию очень значительной зоны контакта (интерфаза) между органоглиной и полимером. Вследствие высокой полярности поверхности органоглины наблюдается тенденция поглощения антиоксидантов (часто с полярными химическими структурами) органоглиной, что приводит к истощению антиоксидантов внутри полимерной матрицы. В результате происходит значительное снижение термостабильности нанокомпозитов, о чём свидетельствуют результаты испытаний на ускоренное старение. Ещё одна проблема, которая должна быть оптимизирована, заключается в повышенном водопоглощении нанокомпозитами. Этот показатель слишком высок (по требованиям МЭК), поэтому нанокомпозиты не могут применяться в качестве не распространяющих горение изоляционных компаундов. В настоящее время в кабельной промышленности рекомендуется использовать нанокомпозиты пока только для изготовления кабельных оболочек.       

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Подписаться на новости

Источник: RusCable.Ru

Добавьте «RusCable.Ru» в предпочтительные источники в Яндекс Новостях, так вы первыми узнаете о главных новостях и важнейших событиях дня.

Обсуждают на форуме (2)

Партнёры: В наличии купить ТППэп 150х2х0,5-200 на складе  ООО "Рукабель" предлагает купить КуГРПнг(A)-FRHF 5х4 со склада  Реализация АВВГ 2х95 из наличия
Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно