في المجالات الصناعية الحديثة، البولي بروبيلين المقوى بألياف زجاجية (PP/GF) بفضل كثافتها المنخفضة ومقاومتها الممتازة للحرارة والزحف ونسبة التكلفة إلى الأداء العالية، أصبحت "نجمًا صاعدًا" في الصناعات مثل تصنيع الإلكترونيات والطيران والسيارات . تُستخدم هذه المادة غالبًا لإنتاج مكونات خفيفة الوزن وذات جدران رقيقة كـ بديل للصلب والبلاستيك الهندسي التقليدي .

مع ذلك، يُعدّ البولي بروبيلين بحد ذاته مادة قابلة للاشتعال، حيث يبلغ مؤشر الأكسجين المُحدِّد (LOI) حوالي 17.0% فقط. أثناء الاحتراق، يُولّد كمية كبيرة من قطرات اللهب ويُطلق حرارةً كبيرة. على الرغم من أن إضافة الألياف الزجاجية (GF) تُخفّف من ظاهرة التنقيط إلى حدٍّ ما، إلا أن ما يُسمى "تأثير الفتيل" للألياف الزجاجية يُطيل مدة الاحتراق ويُزيد من إطلاق الحرارة. لذلك، في التطبيقات الحرجة للسلامة، تُعدّ معالجة البولي بروبيلين/الألياف الزجاجية بمُثبطات اللهب أمرًا لا غنى عنه.

تجدر الإشارة إلى أن نظام مثبطات اللهب البرومية-الأنتيمونية، الذي كان يُستخدم على نطاق واسع سابقًا، قد خضع لقيود محلية ودولية، نظرًا للدخان السام المنبعث أثناء الاحتراق. على سبيل المثال، حُظر بالفعل استخدام إيثر العشاري البروم ثنائي الفينيل وغيره من مثبطات اللهب المبرومة.

كبديل، تحظى أنظمة مثبطات اللهب المنتفخة بالفوسفور والنيتروجين الخالية من الهالوجين باهتمام متزايد في مجال البولي أوليفينات، بفضل ملاءمتها للبيئة ومزاياها من حيث التكلفة. على سبيل المثال، يحتوي بيروفوسفات البيبيرازين (PAPP) على عناصر الفوسفور والنيتروجين، بالإضافة إلى مجموعات هيدروكسيل وفيرة، مما يسمح له بالعمل كـ "مصدر للحامض" و"مصدر للكربون" في نظام مثبط اللهب المنتفخ. في هذه الدراسة، تم خلط PAPP مع بولي فوسفات الميلامين (MPP) لتكوين مثبط لهب منتفخ قائم على PAPP. تحت تحميل ثابت من مثبط اللهب، تم التحقيق بشكل منهجي في تأثير محتوى الألياف الزجاجية على أداء مركبات PP / GF.

كيف يؤثر محتوى GF على أداء المواد؟

1. تحسن كبير في مقاومة اللهب (GF < 30%)
مع زيادة محتوى الألياف الزجاجية (GF)، يتحسن أداء مركبات PP/GF كمثبط للهب. فمن ناحية، يعني ارتفاع محتوى الألياف الزجاجية انخفاض نسبة مصفوفة PP، مما يقلل من تكوّن الشظايا القابلة للاشتعال أثناء التحلل الحراري. وفي الوقت نفسه، يُخفّض GF معدل تدفق المصهور، مما يُخفف بفعالية من مشكلة التنقيط في العينات الرقيقة، ويُمكّن المادة من اجتياز اختبارات الاحتراق الرأسي بسهولة أكبر. ومن ناحية أخرى، تُغطي طبقة الكربون المُشكّلة بواسطة مثبط اللهب من خلال آلية "تكوين الفحم في الطور الصلب" سطح العينة بإحكام دون أن تتأثر ببقايا GF عالية الحرارة، مما يُعزل الحرارة والأكسجين ويُقلل من انبعاث المواد المتطايرة القابلة للاشتعال.

2. التغيرات في الاستقرار الحراري
إن إضافة GF في المواد البوليمرية يمكن أن تُحسّن بشكل فعال العديد من الخصائص الفيزيائية. فمن جهة، تُعزز GF بشكل كبير الاستقرار البُعدي للمادة المُركّبة، مما يجعلها أقل عرضة للتشوه في ظل الظروف البيئية المُتغيرة. ومن جهة أخرى، ترتفع درجة حرارة التشوه الحراري (HDT) للمادة بشكل ملحوظ، مما يُحسّن بشكل كبير من مقاومتها لدرجات الحرارة العالية. كما يُؤثر إضافة GF على الاستقرار الحراري للمادة. فرغم أنه يُخفّض درجة حرارة التحلل الحراري الأولية لمُركّبات PP/GF المُثبّطة للهب، إلا أنه يُحسّن بشكل كبير من استقرارها في درجات الحرارة العالية. تُظهر البيانات التجريبية أنه عند زيادة محتوى GF إلى 25%، تُحقق العينة رقم 4 مُعدّل بقايا فحم بنسبة 39.4% عند 700 درجة مئوية. وهذا يُشير إلى أنه عند درجات الحرارة المُرتفعة، ينخفض انبعاث الغازات القابلة للاحتراق بشكل كبير، بينما يتكوّن المزيد من الكربيدات الصلبة غير القابلة للاحتراق. وفي الغلاف الجوي، وبسبب التحلل الحراري التأكسدي، تكون درجة حرارة التحلل الأولية أقل من تلك الموجودة في الغلاف الجوي النيتروجيني. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، تظل بقايا الفحم في العينات ذات المحتويات المختلفة من GF أعلى من تلك الموجودة في العينات الخالية من GF، ويمكن أن يعزى ذلك إلى الاستقرار المتأصل في درجات الحرارة العالية لـ GF، لأنه أقل عرضة للتحلل.

3. التأثير المزدوج على أداء الاحتراق
تحت تأثير الإشعاع الحراري الخارجي، يُشكّل مثبط اللهب FR-1420 طبقة فحم عازلة على سطح العينة من خلال التفحم المُنتفخ. تُظهر النتائج التجريبية أنه في العينة رقم 1 بدون GF، تمددت طبقة الفحم إلى سُمك حوالي 2.5 سم، بينما ازداد سُمك طبقة الفحم في العينة رقم 2 المُضاف إليها 15% من GF إلى حوالي 6.2 سم. ومع ذلك، عند زيادة محتوى GF، انخفض سُمك طبقة الفحم إلى حوالي 5.0 سم (العينة رقم 4). يُمكن تفسير هذه الظاهرة بالاستقرار الحراري العالي لـ GF: يُمكن أن يعمل كـ"هيكل فحم" يدعم تمدد الفحم، لكن بقايا GF الزائدة عند درجات الحرارة العالية تُعيق نمو الفحم.

تجدر الإشارة إلى أن إضافة GF لم تؤثر على معايير الاحتراق الرئيسية للمادة، مثل معدل إطلاق الحرارة الأقصى (PHRR)، مما يشير إلى أن الأداء العام للسلامة من الحرائق ظل مُرضيًا. علاوة على ذلك، ونظرًا لطبيعة GF الخاملة وانخفاض نسبة مصفوفة البولي بروبيلين، انخفض إطلاق المواد المتطايرة القابلة للاشتعال أثناء الاحتراق، بينما احتُفظ بمزيد من البقايا الصلبة غير القابلة للاحتراق عند درجات حرارة مرتفعة. وكما هو موضح في منحنى الكتلة-الزمن، أظهرت العينات التي تحتوي على GF كتلة متبقية أعلى عند درجات حرارة عالية، مع انخفاض في إطلاق الحرارة وتوليد الدخان. ولم تُظهر مؤشرات السلامة من الحرائق، مثل مؤشر معدل نمو الحريق (FIGRA) ومتوسط معدل إطلاق الحرارة الأقصى (MAHRE)، أي تغيير يُذكر.

الاستنتاجات

يُظهر مثبط اللهب الخالي من الهالوجين FR-1420 فعاليةً ملحوظةً في مقاومة اللهب في مركبات PP/GF. عند نفس مستوى مقاومة اللهب، يُؤدي ارتفاع محتوى GF إلى مقاومة أفضل للهب.

في حين أن GF يقلل من درجة حرارة التحلل الحراري الأولية، فإنه يعزز الاستقرار الحراري في درجات الحرارة العالية.

في اختبارات قياس السعرات المخروطية، يعمل GF بمثابة "هيكل الفحم"، مما يزيد من سمك تمدد الفحم مع تقليل إجمالي إطلاق الحرارة (THR) وإجمالي إنتاج الدخان (TSP)، وبالتالي تحسين أداء السلامة من الحرائق لمركبات PP/GF بشكل كبير.