Bronisław Samujło, Beata Kowalska

Politechnika Lubelska

Katedra Procesów Polimerowych

ul. Nadbystrzycka 36

20-618 Lublin

[e-mail]

Metoda termowizji w badaniu uniepalnienia PE-HD

1. Wstęp

Stosowanie wytworów z polietylenu w znacznej mierze ogranicza niska odporność na zapłon i spalanie [1-6]. Zagadnienie to jest szczególnie istotne ze względu na największy, po PVC, udział w globalnej produkcji i zużyciu tworzyw. W celu ograniczenia palności do PE są najczęściej wprowadzane środki zmniejszające palność zawierające związki halogenowe lub związki fosforu. Skutkiem ich stosowania, oprócz stosunkowo skutecznego zmniejszania palności polietylenu, jest również wydzielanie dużej ilości dymów oraz toksycznych gazów podczas rozkładu i spalania. Z tego względu jest widoczna tendencja do zastępowania ich związkami bezhalogenowymi [2-9]. Rury z PE stanowią powyżej 30% globalnej ilości wytwarzanych rur z tworzyw, przy czym około jedna czwarta tej ilości jest przeznaczona na rury instalacyjne w telekomunikacji [10]. W związku z powyższym zmniejszanie zagrożeń związanych z palnością rur optotelekomunikacyjnych z PE jest zagadnieniem o dużym znaczeniu poznawczym oraz utylitarnym.

Uniepalnienie wytworów z tworzyw, w tym również rur, jest określane przez umowne wskaźniki jakościowe i rzadziej ilościowe, wyznaczane według zróżnicowanych metod badawczych, przy różniących się warunkach pomiaru, kształcie i wymiarach próbki. Podczas badań określa się głównie podatność do zapoczątkowania reakcji spalania, szybkość rozprzestrzeniania się płomienia, odporność na penetrację ognia w strukturę tworzywa, efekty cieplne spalania, gęstość wydzielającego się dymu, skład jakościowy i ilościowy gazowych produktów rozkładu i spalania - głównie w aspekcie ich toksyczności [1-4, 6]. W analizie procesów rozkładu cieplnego, zapłonu oraz spalania tworzyw podstawowe znaczenie ma pomiar temperatury. Określenie zmian pola temperatury w poszczególnych fazach wymienionych procesów w największej mierze umożliwia zastosowanie metody termowizyjnej. W badaniach termowizyjnych wykorzystuje się detekcję, przetwarzanie oraz wizualizację promieniowania podczerwonego emitowanego przez badane wytwory lub próbki tworzywa. Zmiany długości fali promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię tych ciał, przy uwzględnieniu właściwości cieplnych tworzywa, cech powierzchni oraz wpływu otoczenia, odpowiadają zmianom jej temperatury. Detekcja promieniowania podczerwonego odbywa się za pośrednictwem detektorów o różnej konstrukcji i zasadzie działania, tworzących wraz z układami optycznymi, przetwarzającymi oraz wizualizującymi zespoły robocze kamer termowizyjnych. Tworzone obrazy termalne odzwierciedlają rozkład temperatury powierzchni badanego wytworu lub próbki, a ich ciągła lub cykliczna w czasie rejestracja umożliwia analizę zmian temperatury podczas poszczególnych faz procesu palenia [11-13].

Analiza wyników badań uniepalnienia rur z PE, w tym przebiegu procesów cieplnych określanych zmianami pola temperatury, umożliwia przeprowadzenie pełniejszej oceny efektywności działania środków opóźniających palenie.

2. Metodyka badań

W badaniach wykorzystano próbki rur, standardowej (A) oraz modyfikowanej (B) w celu zmniejszenia palności, o średnicy wynoszącej 40 mm i grubości ścianki równej 3,7 mm. W skład tworzywa, z którego były wykonane rury badane, wchodził PE-HD pierwotny - Tipelin BS 52014 - 50%, regranulat PE-HD - 34% oraz środki pomocnicze. W przypadku próbki B w skład tworzywa wchodził środek opóźniający palenie - Polibatch PR 1049. Badania prowadzono za pomocą specjalnego stanowiska badawczego zbudowanego w oparciu o zalecenia normy EN 60695-2-4, dodatkowo wyposażonego w kamerę termowizyjną V-20 (Vigo System SA, Poland). Układ detekcji promieniowania podczerwonego w wykorzystanej podczas relacjonowanych badań kamerze V-20 był oparty na chłodzonym termoelektrycznie detektorze HgCdTe, który umożliwiał wykonywanie pomiaru temperatury w zakresie od 15 do 200°C. Kąt skanowania wynosił 30°, tworzony termogram składał się z 57600 punktów (240 punktów w 240 liniach), czas skanowania linii był równy 7,2 ms [13]. Źródłem zapłonu był znormalizowany palnik gazowy o mocy cieplnej wynoszącej 1kW.

3.Wyniki i dyskusja

Na kolejnych rysunkach ( rys. 1 oraz 2) przedstawiono termogramy próbek A oraz B, zarejestrowane odpowiednio po 60, 120, 180 oraz 240 sekundach od usunięcia źródła zapłonu. W przypadku próbki B, po odstępie czasu wynoszącym 35 sekund od odjęcia źródła zapłonu, zaobserwowano zanik płomienia. Próbka A, po odjęciu źródła zapłonu, ulegała dalszemu spalaniu. Po upływie około 200 sekund od odjęcia źródła zapłonu, nastąpiła penetracja płomienia przez całą grubość ścianki rury, a następnie zaobserwowano zintensyfikowanie procesu spalania spowodowane zwiększeniem powierzchni poddanej działaniu płomienia. Zaobserwowano dalsze rozszerzenie jej obszaru objętego spalaniem od 8,29% powierzchni po 60 sekundach od odjęcia źródła zapłonu, do około 30% w ciągu następnych 180 s.

Obszar próbek o temperaturze przekraczającej wartość 80ºC, po 240 s od odjęcia źródła zapłonu, był bliski 11% w przypadku próbki B oraz osiągał 19% powierzchni badanej próbki A.

Na kolejnych rysunku 3 przedstawiono przebieg zmian temperatury powierzchni rur badanych wzdłuż odcinka pomiarowego oznaczonego na rysunku 1a. Opis osi poziomej stanowi numeracja „x” punktów pomiarowych, przy czym punkt oznaczony jako 30 odpowiada miejscu bezpośredniego działania płomienia (punkt geometryczny przecięcia osi dyszy palnika z zarysem powierzchni próbki). Odjęcie źródła zapłonu spowodowało początkowo spadek temperatury powierzchni próbki A (rys. 3 - krzywe 60 i 120 s), a następnie jej wzrost w miarę zwiększania powierzchni objętej płomieniem. Odchylenia profilu krzywej (240s) niosą informację o nierównomiernym ogrzewaniu, związanym z objęciem płomieniem zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni rury. W przypadku próbki B zmiany profilu krzywych uwidaczniają zmniejszenie ogrzewanej powierzchni rury, związane z zanikiem płomienia, a następnie dalszy spadek jej temperatury, warunkowany właściwościami tworzywa oraz cechami geometrycznymi i przestrzennymi badanego układu.

W czasie 180 sekund po odjęciu źródła zapłonu spadek wartości temperatury powierzchni badanej, w określonej odległości od obszaru ogrzewanego (punkt 100), wynosił 11,08ºC w przypadku próbki B, natomiast w przypadku próbki A przyrost temperatury wynosił 32,19ºC. Średnia prędkość zmiany temperatury powierzchni próbek, mierzona w tym samym obszarze w czasie 240s, była równa +0,18 ºC /s w przypadku próbki A oraz -0,06 ºC/s dla próbki B.

Na powierzchni próbki B zaobserwowano jedynie nieznaczne uszkodzenia spowodowane działaniem płomienia, których zasięg ograniczał się do około 20% grubości ścianki rury. W przypadku próbki A wygaszono płomień po upływie 300 s od odjęcia źródła zapłonu, przy czym obserwowane okiem nieuzbrojonym uszkodzenia obejmowały odcinek rury o długości około 220 mm.

4. Podsumowanie

Efektem wprowadzenia wybranego środka opóźniającego palenie do tworzywa rur (mieszaniny polietylenu dużej gęstości pierwotnego i wtórnego) było uzyskanie efektu samogaśnięcia. Analiza zmienności pola temperatury umożliwiła ocenę dynamiki procesów zapłonu i spalania rur badanych, a więc także podatności na zapłon i spalanie. Prędkość zmiany temperatury powierzchni rur, którą można skorelować z prędkością rozchodzenia się płomienia, była ujemna w przypadku próbki rury z PE modyfikowanego, natomiast w przypadku polietylenu bez wprowadzonego antypirenu była dodatnia. W wartościach bezwzględnych prędkość zmiany temperatury powierzchni próbki B osiągała wartości około trzykrotnie wyższe w odniesieniu do wartości tej wielkości otrzymanych podczas badań próbki A. Ciągła w czasie obserwacja i rejestracja pola temperatury palącego się układu umożliwiła pogłębienie analizy procesu zapłonu i spalania badanych rur, a tym samym wykazała przydatność metody termowizyjnej w badaniach uniepalnienia rur.

Badania są prowadzone w ramach projektu badawczego KBN nr 4 T08E 045 25.

Literatura

1. Sikora R.: „Tworzywa wielkocząsteczkowe - Rodzaje, właściwości i struktura”, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991.

2. Boryniec S., Przygocki W.: Procesy spalania polimerów. Polimery 1999, 44, I-2, II-6, III-10.

3. Zajkov G.E.: “Flammability of polymeric materials”, Nova Scientific Publishers, Commarck, Nowy Jork 1996.

4. Samujło B.: „Modyfikacja antypirenami bezhalogenowymi próbek polietylenu wytłaczanego”. Rozprawa doktorska. Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, Lublin-Bydgoszcz 2001.

5. Sawicki T.: Spalanie, dymotwórczość i toksyczność tworzyw sztucznych. Tworzywa Sztuczne i Chemia 2003, 3.

6. Hilado C.J.: “Flammability handbook for plastics”. Technomic, Lancaster-Basel 1998.

7. Zaikov G.E., Lomakin S.M.: Ecological Issue of Polymer Flame Retardancy. Jurnal of Applied Polymer Science 2002, 86.

8. Samujło B.: Charakterystyka procesu wytłaczania polietylenu modyfikowanego antypirenami bezhalogenowymi i środkami pomocniczymi. Polimery 2003, 48, 7-8.

9. Samujło B.: The oxygen index of extruded modified polyethylene. The Polymer Processing Society 2003 Europe/Africa Regional Meeting, Ateny, Grecja.

10. Bortel. K.: Rury z tworzyw termoplastycznych. Plastics Review 2002, 4.

11. Prystay M., Garcia-Rejon A.: Using thermography to optimize the blow-molding process. Plastics Engineering 1996, 12.

12. Sikorski R.T., Kędziora G., Mirkiewicz G.: Fire properties of polymers by thermovision methods. Polimery1994, 39, 4.

13. Materiały firmy Vigo System SA.

Bronisław Samujło, Beata Kowalska

Metoda termowizji w badaniu uniepalnienia PE-HD

Streszczenie

Istotną wadą wytworów z polietylenu jest niska odporność na zapłon i spalanie. Właściwy dobór oraz efektywne zastosowanie środków opóźniających ich palenie jest uwarunkowany dogłębnym poznaniem zjawisk związanych z procesami rozkładu cieplnego, zapłonu, spalania oraz jego efektów. Podstawowe znaczenie ma w tym przypadku analiza zmian pola temperatury wytworów poddanych wymienionym procesom. W największej mierze umożliwia to zastosowanie metody termowizyjnej.

W badaniach wykorzystano próbki rur optotelekomunikacyjnych ∅40/3,7 z PE-HD standardowego (A) oraz modyfikowanego (B), poprzez wprowadzenie środka opóźniającego palenie Polibatch PR1049. Badania prowadzono za pomocą specjalnego stanowiska badawczego zaprojektowanego i wykonanego w oparciu o zalecenia normy EN 60695-2-4, dodatkowo wyposażonego w kamerę termowizyjną V-20 (Vigo System SA).

Podczas pomiarów zaobserwowano, że próbka A po odjęciu źródła zapłonu ulegała spalaniu w stosunkowo wysokiej temperaturze (490°C), przy czym proces spalania miał charakter autokatalityczny. Podczas badań rury z modyfikowanego PE (B) zaobserwowano efekt samogaśnięcia już po około 35 s od odjęcia źródła zapłonu, co umożliwiło określenie badanej rury jako odpornej na przenoszenie płomienia. Na podstawie uzyskanych termogramów sporządzono wykresy zależności temperatury powierzchni próbek badanych w funkcji czasu. Przeprowadzono analizę porównawczą kinetyki procesu palania obu badanych rur.

Bronisław Samujło, Beata Kowalska

The Thermovision Method in Investigation of HDPE Flammability

Summary

On the whole the polyethylene products are sensitive to fire, which causes thermal destruction of polymer. In order to find proper flame retardants, it is essential to study the mechanism of combustion process and the effects caused by the burning. The analysis of temperature distribution during the combustion process is a very useful tool for understanding this phenomenon. The thermovision method enables us to study the process by recording a temperature distribution in the sample.

In the research two kinds of samples were prepared, the sample labeled A was taken from the casing pipe for optotelecommunication cables, which was made from a standard HDPE, and the sample labeled B was taken from the HDPE casing pipe modified by a flame retardant of trade name Polibath PR1049. The experiment was conducted on a special research stand equipped with a thermovision camera (Vigo System SA). This stand was designed and made in compliance with the standard EN 60695-2-4.

In the experiment it was found that the sample A was burning after removing the fire source in a relatively high temperature (490^oC). The process of combustion had an autocatalytic character. During the burning of sample B, 35 seconds after removing the source of fire, the self-extinguishing effect was observed. On the basis of the obtained thermovision pictures, the dependencies between temperature on the surface of the samples and the time were evaluated. Also the kinetics of the process was analyzed for both kinds of samples.

a) b)

c) d)

Rysunek 1

a) b)

c) d)

Rysunek 2

Rysunek 3

Spis podpisów pod rysunkami

Rys. 1. Termogram próbki rury z PE niemodyfikowanego (A) po upływie a - 60 s, b -120 s, c -180, d - 240 sekund od odjęcia źródła zapłonu

Rys. 2. Termogram próbki rury z PE modyfikowanego (B) po upływie a - 60 s, b -120 s, c -180, d - 240 sekund od odjęcia źródła zapłonu

Rys. 3. Przebieg zmiany temperatury wzdłuż próbki rury z PE niemodyfikowanego (A) oraz modyfikowanego (B) po 60, 120, 180 oraz 240 sekundach od odjęcia źródła zapłonu; x - numeracja punktów pomiarowych

Rys. 3

Rys. 1

Rys. 2

---