Pruebas de retardo de llama de materiales de poliolefina
La resistencia al fuego de los materiales se evalúa principalmente en términos de inflamabilidad, capacidad de propagación de la llama y liberación de calor. Generalmente, los estándares de evaluación y prueba para el desempeño de los retardantes de llama son en gran medida consistentes para diferentes tipos de materiales retardantes de llama. Durante la combustión de materiales poliolefínicos, debido a su tendencia a producir goteo fundido, su capacidad de propagación de llama se convierte en el factor más crítico. La capacidad de propagación de la llama generalmente se prueba mediante métodos de combustión horizontal y vertical. Sin embargo, para los materiales de poliolefina, la combustión vertical tiende a ser más intensa que la horizontal, lo que produce más gotas llameantes. Por lo tanto, en la producción y aplicación de productos de poliolefina, los usuarios finales también están más preocupados por el rendimiento de combustión vertical de las poliolefinas retardantes de llama.
Se han establecido numerosos estándares nacionales e internacionales para probar el desempeño de materiales retardantes de llama. Este capítulo presentará varios métodos de prueba de laboratorio simples, convenientes y más comúnmente utilizados para evaluar el retardo de llama de materiales de poliolefina.
I. Prueba UL-94
Underwriters Laboratories estableció el método de prueba UL-94 para evaluar la inflamabilidad de las piezas de plástico utilizadas en equipos y aparatos eléctricos.
UL-94 es un estándar de prueba que se centra principalmente en la inflamabilidad y propagación de llamas de los plásticos y ha sido adoptado como método de prueba estándar en muchos países. Este método de prueba incluye cinco procedimientos de prueba y categorías de calificación:
1. Prueba de combustión horizontal para plásticos: calificación HB.
2. Prueba de combustión vertical para plásticos: clasificación V-0, V-1 o V-2.
3. Prueba de combustión vertical de 500 W (125 mm): clasificación de 5 VA o 5 VB.
4. Prueba de propagación de llama del panel radiante: Prueba de combustión vertical de material fino Clasificación VTM-0, VTM-1 o VTM-2.
5. Prueba de combustión horizontal de muestra de plástico espumado: clasificación HBF, HF-1 o HF-2.
La siguiente sección se centra en la prueba de combustión vertical de plástico más utilizada.
La prueba de combustión vertical UL-94 es uno de los métodos de prueba de inflamabilidad del plástico desarrollado por Underwriters Laboratories y ampliamente adoptado a nivel internacional. Puede indicar las características de inflamabilidad, goteo y autoextinción de muestras en condiciones de prueba específicas. Dimensiones de la muestra estándar: 3,2 mm (o 2,4 mm, 1,6 mm o 0,8 mm) × 12,7 mm × 127 mm. Cada conjunto consta de 5 ejemplares. Cada muestra se enciende dos veces y cada encendido dura 10 segundos. Después de retirar la fuente de ignición, se registran los tiempos de llama y postcombustión, así como si se producen gotas de llama. Para lograr una clasificación V-0, el tiempo de combustión de la llama para cada muestra después de cada encendido no debe exceder los 10 segundos. Para V-1 o V-2, no debe exceder los 30 segundos. Para el segundo encendido, para alcanzar V-0, el tiempo de combustión con llama después de apagar la llama no debe exceder los 30 segundos. Para V-1 o V-2, no debe exceder los 60 segundos. Para lograr una clasificación V-0, el tiempo total de combustión con llama para las 5 muestras después de 10 encendidos no debe exceder los 50 segundos. Para V-1 o V-2, no debe exceder los 250 segundos. Ninguna muestra deberá presentar llamas o después de la combustión de la llama hasta la abrazadera de sujeción. Para lograr una clasificación V-0 o V-1, el algodón quirúrgico no debe inflamarse debido a las partículas que gotean. En caso contrario, la calificación es V-2. La calificación correspondiente se otorga sólo si los cinco requisitos cumplen con los criterios mínimos para ese nivel.
II. Prueba del índice limitante de oxígeno
El método del índice limitante de oxígeno (LOI) es una prueba comúnmente utilizada para evaluar la inflamabilidad de los materiales de poliolefina. La muestra se monta verticalmente en una columna de combustión y a través de ella fluye hacia arriba una mezcla de oxígeno y nitrógeno. Se enciende la parte superior del espécimen. Si la muestra no se enciende en 30 segundos, se aumenta la concentración de oxígeno. Después de lograr una combustión estable, se retira la fuente de ignición y se observan simultáneamente el tiempo de combustión y la longitud de la muestra. Si el tiempo de combustión excede los 3 minutos o la longitud de la quemadura excede los 5 cm, la prueba se repite con una muestra nueva con una concentración de oxígeno más baja. En última instancia, se determina la concentración mínima de oxígeno (expresada como porcentaje en volumen de oxígeno en la mezcla) que justamente soporta una combustión constante, donde la muestra se extingue dentro de los 3 minutos posteriores a la eliminación de la fuente de ignición o la longitud de la combustión no excede los 5 cm. Este valor es el índice de oxígeno del material. Aunque el entorno de prueba LOI no simula completamente las condiciones reales de incendio, proporciona valores numéricos específicos. Esto es más ventajoso para evaluar diferencias en el retardo de llama entre muestras modificadas con diferentes formulaciones retardantes de llama basadas en la misma resina base. El método del índice limitante de oxígeno es un método de detección ideal para evaluar muestras o formulaciones retardantes de llama.
III. Método de prueba del calorímetro de cono
El método de prueba del calorímetro de cono (CONE) obtiene numerosos parámetros de rendimiento de combustión mediante la quema a pequeña escala de muestras de materiales. Proporciona un valor de referencia significativo para estudiar los mecanismos retardantes de llama de poliolefinas retardantes de llama modificadas. Su principio se basa en el consumo de oxígeno, es decir, el calor liberado durante la combustión del material es siempre proporcional a la cantidad de oxígeno consumido en el proceso de combustión. El instrumento se llama calorímetro cónico, llamado así por la forma del calentador cónico. Es un aparato de nueva generación para determinar el rendimiento de combustión de materiales poliméricos, basado en el principio de medir los cambios en el consumo de oxígeno en el sistema de combustión antes y después de las pruebas. Del CONE se pueden obtener varios parámetros de combustión de materiales combustibles en incendios, incluida la tasa de liberación de calor (HRR), el calor total liberado (THR), el calor efectivo de combustión (EHC), los parámetros de humo y toxicidad y la tasa de pérdida de masa (MLR), entre otros. Los cambios en estos parámetros pueden simular el impacto de diferentes materiales en el entorno circundante y en personas atrapadas en incendios reales.
La tasa de liberación de calor se refiere a la tasa de calor liberado por unidad de área de la muestra, medida en kW/m². El CONO proporciona el cambio dinámico de HRR a lo largo del tiempo durante el proceso de combustión de materiales poliméricos. El valor máximo de HRR es la tasa máxima de liberación de calor (PHRR).
HRR es uno de los parámetros de comportamiento de combustión más importantes. Su magnitud refleja la intensidad de combustión del material. Una HRR o PHRR más alta indica una mayor capacidad del fuego para irradiar calor a los alrededores. Por un lado, esto puede causar mayores daños por quemaduras a las personas atrapadas. Por otro lado, la intensa y rápida liberación de calor se retroalimenta a la superficie del material de poliolefina, acelerando la velocidad de descomposición térmica de la resina base, generando así gases de moléculas pequeñas más volátiles. Estos gases pueden provocar envenenamiento y asfixia de las personas atrapadas y su inflamabilidad acelera la propagación de las llamas. Por lo tanto, reducir la HRR y la PHRR de los materiales poliolefínicos será el método más eficaz para reducir los peligros de los materiales en incendios reales.
El calor total liberado es el calor total liberado por unidad de área de material desde el inicio hasta el final de la combustión, medido en MJ/m². Para el calor efectivo de combustión de la porción volátil, un THR más alto indica que el material de poliolefina libera más calor durante el proceso de combustión general, lo que significa un mayor riesgo del material de poliolefina en un incendio. Si HRR refleja las características de combustión súbita y dispersión de la muestra de prueba, entonces THR refleja la persistencia de la muestra de prueba durante la quema.
El calor efectivo de combustión se refiere a la relación entre la liberación de calor medida y la pérdida de masa en un momento dado, es decir, la unidad de calor liberada cuando se queman gases volátiles de moléculas pequeñas producidos durante la descomposición térmica, medido en MJ/kg. Durante la combustión, cuando el valor EHC de la muestra de prueba se estabiliza, sugiere que el material modificado probablemente emplea retardante de llama de fase condensada, lo que dificulta la liberación y el escape de gases inflamables de moléculas pequeñas y reduce su grado de combustión en la llama.
Los calorímetros de cono suelen estar equipados con dispositivos de medición de humo. Pueden probar parámetros como el área de extinción específica (SEA, m²/kg, el área de extinción del humo liberado por unidad de masa de muestra durante la combustión), la producción total de humo (TSP, m³/m², el volumen de humo liberado por unidad de área de material), la tasa de producción de humo (SPR, m²/s, el área de extinción del humo producido por unidad de tiempo durante la combustión) y las concentraciones de gases tóxicos y nocivos como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono. Los parámetros de humo y toxicidad no están necesariamente relacionados con los valores de HRR. Sin embargo, la liberación masiva de humo en incendios reales es un factor crucial que afecta la fuga del personal y las labores de rescate de los bomberos. Por tanto, son otro aspecto importante para evaluar la peligrosidad de los materiales en incendios reales.
La tasa de pérdida de masa es la tasa de cambio de masa de un material polimérico durante la combustión, medida en g/s. Refleja la tasa de descomposición térmica, la volatilización y el grado de combustión del polímero bajo una cierta intensidad de combustión. Un valor más bajo indica una menor generación de gases volátiles de moléculas pequeñas debido a la combustión y el calor radiante en un incendio, lo que reduce el daño potencial causado por el material.
La prueba de calorimetría de cono para resinas de poliolefina se realiza según GB/T 16172-2007, utilizando muestras con dimensiones de 100 mm × 100 mm × 10 mm.
IV. Conclusión
Las pruebas de retardo de llama para poliolefinas son una competencia rigurosa 'basada en datos': desde la quema vertical UL-94 hasta el índice limitante de oxígeno, hasta las curvas de liberación de calor y humo del calorímetro de cono, cada paso cuantifica la verdadera clasificación de seguridad del material. Seleccionar el método de prueba correcto y comprender los mecanismos de combustión detrás de los datos son clave para encontrar el equilibrio óptimo entre eficiencia y costo para formulaciones libres de halógenos, convirtiendo verdaderamente las poliolefinas 'inflamables' en barreras de seguridad 'retardantes de llama'.
