현대 산업 분야에서는 유리 섬유 강화 폴리프로필렌(PP/GF) 낮은 밀도, 뛰어난 내열성 및 내크리프성, 높은 비용 대비 성능 비율로 인해 다음과 같은 산업 분야에서 '떠오르는 별'이 되었습니다. 전자, 항공우주 및 자동차 제조 . 이 재료는 종종 생산에 사용됩니다 가볍고 얇은 벽의 구성 요소 로서 강철 및 기존 엔지니어링 플라스틱 대체 .

그러나 폴리프로필렌 자체는 가연성 물질로 한계산소지수(LOI)가 약 17.0%에 불과합니다. 연소 시 다량의 불꽃이 발생하고 상당한 열을 방출합니다. 유리섬유(GF)를 첨가하면 불꽃이 떨어지는 현상을 어느 정도 완화할 수 있지만, GF의 소위 "심지 효과"는 연소 시간을 늘리고 열 방출량을 증가시킵니다. 따라서 안전이 중요한 응용 분야에서는 PP/GF의 난연 처리가 필수적입니다.

한때 널리 사용되었던 브롬-안티몬 난연제는 연소 시 발생하는 유독성 연기로 인해 국내외적으로 규제를 받고 있습니다. 예를 들어, 데카브로모디페닐 에테르와 기타 브롬계 난연제는 이미 사용이 금지되었습니다.

대안으로, 할로겐이 없는 인-질소 팽창성 난연제 시스템이 환경 친화성과 비용 이점 덕분에 폴리올레핀 분야에서 주목을 받고 있습니다. 예를 들어, 피페라진 피로인산염(PAPP)은 인과 질소 원소뿐만 아니라 풍부한 수산기를 함유하고 있어 팽창성 난연제 시스템에서 "산 공급원"과 "탄소 공급원"으로 동시에 작용할 수 있습니다. 본 연구에서는 PAPP를 멜라민 폴리인산염(MPP)과 혼합하여 PAPP 기반 팽창성 난연제를 제조했습니다. 난연제 함량이 일정하게 유지되는 조건에서, 유리 섬유 함량이 PP/GF 복합재의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다.

GF 콘텐츠는 재료 성능에 어떤 영향을 미치나요?

1. 난연성 대폭 향상(GF < 30%)
유리섬유(GF) 함량이 증가함에 따라 PP/GF 복합재의 난연 성능이 향상됩니다. 한편, GF 함량이 높을수록 PP 매트릭스의 비율이 낮아져 열분해 시 가연성 파편 발생이 줄어듭니다. 동시에 GF는 용융 유동 속도를 낮춰 얇은 시편의 드립(dripping) 문제를 효과적으로 완화하고 수직 연소 시험을 더 쉽게 통과할 수 있도록 합니다. 한편, 난연제가 "고상 숯 형성" 메커니즘을 통해 형성하는 탄소층은 고온의 GF 잔류물에 의해 파괴되지 않고 시편 표면을 단단히 덮을 수 있어 열과 산소를 차단하고 가연성 휘발성 물질의 방출을 줄일 수 있습니다.

2. 열 안정성의 변화
고분자 재료에 GF를 첨가하면 여러 물리적 특성을 효과적으로 최적화할 수 있습니다. 한편으로 GF는 복합재의 치수 안정성을 크게 향상시켜 다양한 환경 조건에서 변형 발생을 줄입니다. 다른 한편으로, 재료의 열 변형 온도(HDT)를 현저히 증가시켜 고온 내성을 크게 향상시킵니다. GF를 첨가하면 재료의 열 안정성이 변화합니다. 난연성 PP/GF 복합재의 초기 열 분해 온도는 낮아지지만, 고온 안정성은 크게 향상됩니다. 실험 데이터에 따르면 GF 함량이 25%로 증가하면 샘플 #4의 700°C에서 탄화 잔류율이 39.4%에 달합니다. 이는 고온에서 가연성 가스의 방출이 크게 감소하는 반면, 불연성 고체 탄화물이 더 많이 생성됨을 나타냅니다. 공기 중에서는 열산화 분해로 인해 초기 분해 온도가 질소 분위기보다 낮습니다. 그러나 고온에서는 GF 함량이 다양한 샘플의 숯 잔류물이 GF가 없는 샘플보다 높게 유지되는데, 이는 GF가 분해되기 쉽지 않아 고온에서 본질적으로 안정하기 때문일 수 있습니다.

3. 연소 성능에 대한 이중 효과
외부 열 복사 하에서 난연제 FR-1420은 팽창 탄화를 통해 시편 표면에 단열성 차르 층을 형성합니다. 실험 결과에 따르면 GF가 없는 샘플 #1의 경우 차르 층은 약 2.5cm 두께로 팽창한 반면, GF가 15% 포함된 샘플 #2의 차르 층 두께는 약 6.2cm로 증가했습니다. 그러나 GF 함량이 더 증가함에 따라 차르 층 두께는 약 5.0cm(샘플 #4)로 감소했습니다. 이러한 현상은 GF의 높은 열 안정성으로 설명할 수 있습니다. GF는 차르 팽창을 지지하는 "차르 골격" 역할을 하지만, 고온에서 과도한 GF 잔류물은 차르의 추가 성장을 방해합니다.

GF를 첨가해도 최대 열 방출률(PHRR)과 같은 재료의 주요 연소 매개변수에 영향을 미치지 않아 전반적인 화재 안전 성능이 만족스러운 수준으로 유지되었음을 알 수 있습니다. 또한 GF의 불활성 특성과 PP 매트릭스의 비율 감소로 인해 연소 중 가연성 휘발성 물질의 방출이 감소한 반면, 더 많은 불연성 고체 잔류물이 고온에서 유지되었습니다. 질량-시간 곡선에서 볼 수 있듯이 GF가 포함된 샘플은 고온에서 더 높은 잔류 질량을 보였으며 열 방출과 연기 발생은 더 낮았습니다. 화재 성장률 지수(FIGRA) 및 최대 평균 열 방출률(MAHRE)과 같은 화재 안전 지수는 유의미한 변화를 보이지 않았습니다.

결론

할로겐 프리 난연제 FR-1420은 PP/GF 복합재에서 탁월한 난연 효과를 나타냅니다. 동일한 난연제 함량에서 GF 함량이 높을수록 난연성이 향상됩니다.

GF는 초기 열분해 온도를 낮추는 동시에 고온에서 열 안정성을 향상시킵니다.

콘 열량측정 시험에서 GF는 "숯 골격" 역할을 하여 숯 팽창 두께를 증가시키는 동시에 총 열 방출(THR)과 총 연기 생성(TSP)을 감소시켜 PP/GF 복합재의 화재 안전 성능을 크게 향상시킵니다.