Oznaczenia wartości wskaźników tlenowych materiałów epoksydowych wykonano zgodnie z normami: PN-EN ISO 4589-1:2011, PN-EN ISO 4589-2:2006 [115].
Celem pomiaru było oznaczenie najmniejszego stężenia tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, przy którym zachodziło spalanie kształtek w sposób kontrolowany.
Natomiast ciepło spalania analizowanych materiałów epoksydowych przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 1716: 2010 [116].
Opis wykonania oznaczeń wskaźnika tlenowego i ciepła spalania
Próbki, na których wykonano oznaczenia wskaźników tlenowych miały kształt beleczek prostopadłościennych o wymiarach 80 x 10 x 4 mm. Podczas badań materiał umieszczano pionowo w środkowej części komina, w taki sposób, aby górna część kształtki znajdowała się co najmniej 100 mm poniżej wierzchołka komina, a najniższa część kształtki, poddawana była działaniu płomienia, znajdowała się co najmniej 100 milimetrów powyżej górnej części układu rozprowadzającego gaz, umieszczonego w podstawie komina. Następnie przykładano płomień na czas do 30 sekund, usuwając go co 5 sekund, aby sprawdzić, czy pali się cała powierzchnia szczytu kształtki. Jeśli materiał palił się przez trzy minuty lub na długości 5 cm, uznawano go za palny. Dla każdego rodzaju badanego materiału przeprowadzono po 10 serii pomiarowych, a przedstawione w tabeli 5 wyniki stanowią ich średnią arytmetyczną. Błąd pomiarowy obliczono na podstawie odchylenia standardowego dla średniej arytmetycznej.
Natomiast pomiar ciepła spalania wykonano na kalorymetrze stosowanym do oznaczenia ciepła spalania substancji stałych i płynnych. Próbki wyrobów epoksydowych rozdrobniono do frakcji 1 mm o masie 1 g i spalano w atmosferze tlenu o ciśnieniu 20 atmosfer. W typ przypadku również przeprowadzono serię dziesięciu pomiarów dla każdego rodzaju materiału, a niepewność pomiarową obliczono w identyczny sposób jak dla wskaźnika tlenowego.
Wartości wskaźników tlenowych i ciepła spalania
Wartości wskaźników tlenowych badanych materiałów przedstawiono w tabeli 5. Natomiast obliczone wartości ciepła spalania brutto materiałów epoksydowych niemodyfikowanych i modyfikowanych ogniochronnie przedstawiono w tabeli 6.
Tab. 5. Wartość wskaźnika tlenowego dla badanych materiałów Nazwa materiału Wartość wskaźnika
tlenowego [% obj.]
Ep 5 22,20 0,05
Ep 5 + 2% MM 23,19 0,03
Ep 5 + 3,5% MM 23,23 0,03
Ep 5 + 5% MM 23,48 0,03
Ep 5 + 5% PM 24,88 0,03
Ep 5 + 10% PM 26,79 0,02
Ep 5 + 2% MM + 5% PM 23,08 0,02
Ep 5 + 5% MM + 5% PM 24,03 0,02
Ep 5 + 5% Apyral 22,77 0,05
Ep 5 + 5% Fyrol 24,20 0,05
Ep 5 + 5% Apyral + 5% Fyrol 23,50 0,02
Analiza otrzymanych wyników
Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że najmniejszą wartość wskaźnika tlenowego (LOI) otrzymano dla niemodyfikowanego materiału epoksydowego – Epidian 5. Wszystkie dodatki ogniochronne spowodowały zwiększenie wartości LOI, a zatem zmniejszyły zapalność modyfikowanych ogniochronnie materiałów epoksydowych. Największą wartość wskaźnika tlenowego zmierzono dla próbki z dodatkiem 10% wag. polifosforanu melaminy, co świadczy o jego najlepszej skuteczności. Dodatek 10% wag. PM spowodował, że materiał uważany za palny został zakwalifikowany jako materiał trudnozapalny według klasyfikacji Van Krevelen. Obniżenie zawartości napełniacza w % wag. przyczyniło się do zmniejszenia wartości LOI badanych materiałów niezależnie od ich rodzaju.
W przypadku polifosforanu melaminy wzrost stężenia z 5% do 10% wag. spowodował wzrost wskaźnika tlenowego o prawie 8%. Niewielki wzrost wartości wskaźnika tlenowego zmierzono w przypadku próbek modyfikowanych nanokompozytem.
Tab. 6. Wyniki badań ciepła spalania materiałów utworzonych na bazie żywicy epoksydowej Epidian 5 niemodyfikowanych i modyfikowanych ogniochronnie
Nazwa materiału Ciepło spalania [MJ/kg]
Ep 5 34,9 1,0
Ep 5 + 2% MM 33,6 1,0
Ep 5 + 3,5% MM 31,3 2,1
Ep 5 + 5% MM 30,9 1,1
Ep 5 + 5% PM 32,1 2,7
Ep 5 + 10% PM 28,7 2,9
Ep 5 + 2% MM + 5% PM 29,7 1,6
Ep 5 + 5% MM + 5% PM 28,9 1,3
Ep 5 + 5% Apyral 31,5 1,4
Ep 5 + 5% Fyrol 33,9 1,3
Ep 5 + 5% Apyral + 5% Fyrol 32,1 1,2
Zwiększenie stężenia z 2% do 5% wag. doprowadziło do podwyższenia wskaźnika tlenowego zaledwie o 1%. Jednoczesne zastosowanie nanokompozytu Nanobent ZW1 o stężeniu wag. 5% i polifosforanu melaminy o stężeniu wagowym 5% spowodowało wzrost wartości wskaźnika tlenowego w stosunku do niemodyfikowanego ogniochronnie Epidianu 5 oraz próbki Ep 5 z dodatkiem 5% wag. MM, natomiast spowodowało jednocześnie obniżenie wartości LOI w porównaniu z wartością LOI próbki Ep 5 modyfikowanej 5% wagowymi polifosforanu melaminy. Podobną tendencję stwierdzono w przypadku kompozycji mieszanych Apyralu i Fyrolu. W tym przypadku nastąpił wzrost LOI dla próbki z dodatkiem 5% wag. Apyralu, a jednocześnie zaszło obniżenie wartości LOI dla materiału z dodatkiem 5% wag.
Fyrolu. Można zatem stwierdzić, że wprowadzenie do próbki z Apyralem środka ogniochronnego w postaci Fyrolu przyczyniło się do pogorszenia jego palności w stosunku do próbki modyfikowanej tylko Fyrolem.
Wartości ciepła spalania materiałów modyfikowanych ogniochronnie były niższe w porównaniu z wartościami ciepła spalania niemodyfikowanej żywicy epoksydowej Ep 5. Najmniejszą wartość ciepła otrzymano dla żywicy epoksydowej z dodatkiem 10% wag. polifosforanu melaminy. Zastosowanie jako uniepalniacza 10%
wag. polifosforanu melaminy spowodowało obniżenie ciepła spalania o około 18%
w odniesieniu do czystej żywicy epoksydowej Epidian 5. Stwierdzono również, że
wzrost stężenia wagowego wprowadzanych antypirenów przyczynił się do obniżenia wartości ciepła spalania badanych próbek. Analizując kompozycje mieszane zauważono, że znacznie mniejszą wartość ciepła spalania uzyskano dla próbki Ep 5 zawierającej jednocześnie 5% wag. nanokompozytu Nanobent ZW1 i 5% wag.
polifosforanu melaminy niż dla materiału Ep 5 z dodatkami 5% wag. Apyralu i 5%
wag. Fyrolu. Wprowadzony dodatek 10% wag. polifosforanu melaminy do żywicy epoksydowej spowodował, że materiał epoksydowy stał się najbezpieczniejszy pod względem zagrożenia pożarowego. Najmniej efektywnym środkiem ogniochronnym w przypadku pomiaru wartości wskaźnika tlenowego okazał się dodatek 5% wag.
Apyralu. Natomiast pod kątem wartości ciepła spalania badanych próbek można zauważyć, że najsłabszym uniepalniaczem był dodatek 5% wag. Fyrolu. Ponadto znacznie lepsze efekty w zmniejszeniu palności otrzymano w przypadku modyfikacji żywicy epoksydowej kompozycją mieszaną w postaci 5% MM i 5% PM niż stosując jednocześnie 5% Apyralu i 5% Fyrolu, o czym świadczą otrzymane wyniki LOI i PCS.
11. Wyznaczanie temperatury powierzchni materiałów przy której nastąpił