Nei moderni campi industriali, polipropilene rinforzato con fibra di vetro (PP/GF) , con la sua bassa densità, l'eccellente resistenza al calore e allo scorrimento e l'elevato rapporto costo-prestazioni, è diventato una "stella nascente" in settori come produzione elettronica, aerospaziale e automobilistica Questo materiale è spesso utilizzato per produrre componenti leggeri e con pareti sottili come un sostituto dell'acciaio e delle plastiche tecniche convenzionali .

Tuttavia, il polipropilene è di per sé un materiale infiammabile, con un indice limite di ossigeno (LOI) di appena il 17,0% circa. Durante la combustione, genera una grande quantità di gocce fiammeggianti e rilascia calore significativo. Sebbene l'aggiunta di fibra di vetro (GF) allevi in una certa misura il fenomeno delle gocce, il cosiddetto "effetto stoppino" della GF prolunga il tempo di combustione e aumenta il rilascio di calore. Pertanto, nelle applicazioni critiche per la sicurezza, il trattamento ignifugo del PP/GF è indispensabile.

Vale la pena notare che il sistema ritardante di fiamma bromo-antimonio, un tempo ampiamente utilizzato, è stato limitato dalle normative sia nazionali che internazionali, a causa dei fumi tossici rilasciati durante la combustione. Ad esempio, il decabromodifeniletere e altri ritardanti di fiamma bromurati sono già stati vietati.

In alternativa, i sistemi ritardanti di fiamma intumescenti a base di fosforo e azoto privi di alogeni stanno guadagnando attenzione nel settore delle poliolefine, grazie al loro rispetto per l'ambiente e ai vantaggi economici. Il pirofosfato di piperazina (PAPP), ad esempio, contiene elementi di fosforo e azoto, nonché abbondanti gruppi ossidrilici, che gli consentono di agire simultaneamente come "fonte di acido" e "fonte di carbonio" in un sistema ritardante di fiamma intumescente. In questo studio, il PAPP è stato miscelato con polifosfato di melammina (MPP) per formare un ritardante di fiamma intumescente a base di PAPP. Sotto carico costante di ritardante di fiamma, è stata studiata sistematicamente l'influenza del contenuto di fibre di vetro sulle prestazioni dei compositi PP/GF.

In che modo il contenuto di GF influenza le prestazioni dei materiali?

1. Miglioramento significativo della resistenza alla fiamma (GF < 30%)
Con l'aumento del contenuto di fibra di vetro (GF), le prestazioni ignifughe dei compositi PP/GF migliorano. Da un lato, un maggiore contenuto di GF si traduce in una minore percentuale di matrice in PP, che riduce la generazione di frammenti infiammabili durante la decomposizione termica. Allo stesso tempo, la GF riduce il melt flow rate, attenuando efficacemente i problemi di gocciolamento nei campioni sottili e consentendo al materiale di superare più facilmente i test di combustione verticale. D'altro canto, lo strato di carbonio formato dal ritardante di fiamma attraverso il meccanismo di "formazione di carbone in fase solida" può ricoprire ermeticamente la superficie del campione senza essere danneggiato dai residui di GF ad alta temperatura, isolando così calore e ossigeno e riducendo il rilascio di sostanze volatili combustibili.

2. Cambiamenti nella stabilità termica
L'incorporazione di GF nei materiali polimerici può ottimizzare efficacemente molteplici proprietà fisiche. Da un lato, il GF migliora significativamente la stabilità dimensionale del composito, rendendolo meno soggetto a deformazione in condizioni ambientali variabili. Dall'altro, la temperatura di distorsione termica (HDT) del materiale aumenta notevolmente, migliorando così notevolmente la sua resistenza alle alte temperature. L'incorporazione di GF altera la stabilità termica del materiale. Sebbene riduca la temperatura iniziale di decomposizione termica dei compositi PP/GF ignifughi, ne migliora significativamente la stabilità alle alte temperature. Dati sperimentali mostrano che quando il contenuto di GF aumenta al 25%, il campione n. 4 raggiunge un tasso di residuo di carbone del 39,4% a 700 °C. Ciò indica che a temperature elevate, il rilascio di gas combustibili è notevolmente ridotto, mentre si formano più carburi solidi non combustibili. In atmosfera di aria, a causa della degradazione termo-ossidativa, la temperatura iniziale di decomposizione è inferiore a quella in atmosfera di azoto. Tuttavia, ad alte temperature, il residuo di carbone dei campioni con contenuti di GF variabili rimane più elevato rispetto a quello dei campioni privi di GF, il che può essere attribuito alla stabilità intrinseca alle alte temperature del GF, in quanto è meno soggetto a decomposizione.

3. Doppio effetto sulle prestazioni di combustione
Sotto l'azione di radiazioni termiche esterne, il ritardante di fiamma FR-1420 forma uno strato isolante di carbone sulla superficie del campione attraverso la carbonizzazione intumescente. I risultati sperimentali mostrano che per il campione n. 1 senza GF, lo strato di carbone si è espanso fino a uno spessore di circa 2,5 cm, mentre lo spessore dello strato di carbone del campione n. 2 con il 15% di GF è aumentato a circa 6,2 cm. Tuttavia, aumentando ulteriormente il contenuto di GF, lo spessore dello strato di carbone è diminuito a circa 5,0 cm (campione n. 4). Questo fenomeno può essere spiegato dall'elevata stabilità termica del GF: può fungere da "scheletro di carbone" che supporta l'espansione del carbone, ma un residuo eccessivo di GF ad alte temperature ostacola l'ulteriore crescita del carbone.

È interessante notare che l'incorporazione di GF non ha influenzato i parametri chiave di combustione del materiale, come il picco di rilascio di calore (PHRR), a indicare che le prestazioni complessive di sicurezza antincendio sono rimaste soddisfacenti. Inoltre, grazie alla natura inerte del GF e alla ridotta proporzione di matrice in PP, il rilascio di sostanze volatili infiammabili durante la combustione è diminuito, mentre a temperature elevate sono stati trattenuti più residui solidi non combustibili. Come mostrato dalla curva massa-tempo, i campioni con GF hanno mostrato una maggiore massa residua ad alte temperature, con un minore rilascio di calore e una minore generazione di fumo. Gli indici di sicurezza antincendio come l'indice di velocità di crescita del fuoco (FIGRA) e il tasso di rilascio di calore medio massimo (MAHRE) non hanno mostrato variazioni significative.

Conclusioni

Il ritardante di fiamma privo di alogeni FR-1420 dimostra una notevole efficacia ignifuga nei compositi PP/GF. A parità di carico ignifugo, un contenuto maggiore di GF comporta una migliore resistenza alla fiamma.

Mentre il GF riduce la temperatura iniziale di decomposizione termica, migliora la stabilità termica alle alte temperature.

Nei test di calorimetria a cono, il GF agisce come uno “scheletro di carbone”, aumentando lo spessore di espansione del carbone e riducendo al contempo il rilascio totale di calore (THR) e la produzione totale di fumo (TSP), migliorando così significativamente le prestazioni di sicurezza antincendio dei compositi PP/GF.