塑膠材料的耐燃性
The flame resistance of plastic material
陳幸郎博士
新端實業有限公司 協理
中山大學化學研究所
塑膠製品是現代化生活不可或缺的用品，其耐燃性已因不斷的火災意外而受到重視，尤其近年來塑材發展突飛猛進，被大量運用在建材、各式器具及家電上，所以使用時須具備的耐燃要求，變成是基本規格，於是耐燃試驗及其不同規範的訂定，迅速蓬勃發展。普遍依塑膠燃燒程度的難易，一些常用的術語包括：不繼續燃燒的「不燃性」、燃燒速度慢但可燃燒一段時間的「難燃性」、接觸火焰時燃燒移除時消火的「自熄性」、及燃燒速度慢無自消火性的「遲燃性」等，惟因這些定義較無量化數據，目前以UL 94規範較受青睞。
燃燃試驗是UL 94、IEC 60707、ISO1210、ASTM D 365 ...等標準規定的模擬安全試驗項目，採用本生燈(Bunsen burner)和特定燃料源(以甲烷為主)，按一定的火焰高度與施焰角度，對水平或垂直狀態的測試樣品，進行定時多次燃燒，結果以測試樣品點燃、灼燒的持續時間和測試樣品下面鋪陳的引燃物，被引燃與否，作為評定測試樣品的燃燒性質。
國內外產業界認定塑膠材料燃燒標準，一般以UL 94 Standard for tests for flammability of plastic materials for parts in devices and appliances為主，UL 94是美國Underwriters Laboratories公司發佈的塑膠可燃性標準，依據不同厚度的塑膠燃燒結果，將塑膠分類，從最低等級（最小阻燃性）到最高等級（最大阻燃性）分類為：HB、V-2、V-1、V-0、5VB、及5VA。經濟部標準檢驗局亦參考該標準，於90年5月1日訂定CNS 14535 K61072塑膠材料燃燒試驗法，公布實施，該標準共分成五種試驗，一般業者只知所謂V-0、V-1、V-2，但不知其所以然，本文摘述該規範各種試驗之要項及認定標準，說明如后：
一、水平燃燒試驗 (Horizontal Burning Test, HB)
(一)程序：
1. 試樣被支撐在水平位置和傾斜45°，火焰被施加到試樣的端部30秒或直到火焰到達1英寸標記。
2. 如果試樣除去火焰後繼續燃燒，試樣在標記1和4英寸之間的燃燒時間被記錄。
3. 如果試樣在火焰擴散到4英寸標記之前停止燃燒，記錄燃燒的兩個標記之間的時間和燒損長度。
4. 每種厚度進行三個試樣測試。
(二)標準：
1. 棒狀試樣5英寸，厚度在0.120和0.500英寸之間時，燃燒速度必須不大於1.5英寸/分鐘。
2. 棒狀試樣5英寸，厚度小於0.120英寸時，燃燒速度必須不大於3英寸/分鐘。
3. 火焰達到4英寸標記前，試樣必須停止燃燒。
(三)圖示：
二、20mm垂直燃燒試驗 (Vertical Burning Test, VB)
(一)程序：
1. 試樣被支撐在垂直位置和火焰施加在試樣的底部。
2. 第1次點火燃燒10秒鐘後移出起，記錄餘焰時間為t1。
3. 燃燒停止時，同時進行第2次點火燃燒10秒鐘後移出起，記錄餘焰時間為t2，餘燼時間為t3。
4. 準備兩組各五個試樣進行試驗，各組是在不同溫度與濕度調節條件下進行。
(二)標準：依試驗結果將材料分類為V-0、V-1、及V-2等3種，詳表一。
表一、20mm垂直燃燒試驗等級及要求
(三)圖示：
三、500W (125mm) 垂直燃燒試驗 (5VA或5VB)
(一)程序：
1. 條狀(bars)試樣試驗：
(1) 將試片支撐在垂直位置，將和垂直線成20°的火焰與試樣較低之一角接觸，下舖棉花。
(2) 燃燒5秒，移開五秒，重複5次。
2. 片狀(plaques)試樣試驗：
(1) 將試片支撐在水平位置，將和垂直線成20°的火焰接觸試片中央，下舖棉花。
(2) 燃燒5秒，移開5秒，重複5次。
(二)標準：依試驗結果將材料分類為5VA及5VB等2種，詳表二。
表二、500W (125mm) 垂直燃燒試驗等級及要求
(三)圖示：
四、薄片材料垂直燃燒試驗 (Thin Material Vertical Burning Test)
(一)本測試驗適用於材料是薄的或過於柔韌會產生扭曲、收縮、或在普通的垂直測試會彎曲。
(二)程序：
1. 將一個8x2英吋的試片，縱向滾動圍繞一個1/2英吋直徑圓軸棒，在一端用帶子捆紮黏牢，當移出圓軸棒，試片會形成圓錐狀。
2. 圓錐支撐在垂直位置，下舖棉花，第1次施加火焰於試樣底端3秒後移出，火焰與垂直的角度最大不可超過45°，記錄餘焰時間t1。
3. 燃燒停止時，再施加第2次火焰於試樣底端3秒後移出，記錄餘焰時間t2，餘燼時間為t3。
4. 準備兩組各五個試樣進行試驗，各組是在不同溫度與濕度調節條件下進行。
(三)標準：依試驗結果將材料分類為VTM-0、VTM-1、及VTM-2等3種，詳表三。
表三、薄片材料垂直燃燒試驗等級及要求
(四)圖示：
五、發泡材料水平燃燒試驗 (Horizontal Burning Foamed Material Test)
(一)本測試驗適用於電用器具之非結構用發泡塑膠材料。
(二)程序：
1. 將金屬網置於支撐架上，下舖棉花。
2. 每一試片（150mm×50mm，厚度小於13mm）劃上25mm、60mm、及125mm的橫跨標線，平置於金屬網上，近60mm端的邊置於金屬網上翻處。
3. 施加火焰於金屬網上翻處下方，燃燒60秒後移開，記錄餘焰時間、餘燼停止時間、燃燒(或餘燼)鋒面到達125mm標線時間或未達125mm標線停止燃燒時間。
(三)標準：依試驗結果將材料分類為HBF、HF-1、及HF-2等3種。
1. HBF等級要符合下列規範：
(1)試片上跨距100mm，燃燒速率不得超過40mm/min。
(2)試片在125mm記號線前，必須停止燃燒或餘燼燃燒。
2. HF-1及HF-2等級規範，詳表四。
表四、發泡塑膠材料水平燃燒試驗等級及要求
註：4/5為一組5試片中的4片；1/5為一組5試片中的1片。
(四)圖示：
一般區分UL 94燃燒等級，從最高等級排列至最低等級，依序為：5VA → 5VB → V-0 → V-1 → V-2 →HB，相對國際檢測材料耐燃等級亦有相關訂定之標準，其對照如表五，國內業界由於這些國際標準全內容之取得，有昂貴版權付費及相關限制問題，且不常需要檢驗，所以經常以易於取得之UL 94或CNS為標準，其中又以垂直燃燒試驗的V-0、V-1及V-2等級最常出現於標單內。
表五、UL 94燃燒等級與相關國際標準對照表
塑膠材料本身具可燃性與緩燃性，為了達到塑膠相關耐燃標準，業者一般都會使用耐燃性可塑劑或耐燃劑，耐燃劑分類及阻燃原理說明如表六，可依塑材的特性選擇適合的阻燃助劑，達相關規範要求即可。
表六、耐燃劑分類及阻燃原理
註：(a) 鹵素混合物會形成捕捉氧的自由基：
R-H + •X → R•＋HX HX + •OH → H2O + •X
(b) 含磷混合物會與有機塑材反應產生碳化及磷酸鹽：
(c) 金屬氫氧化物會分解並釋放出滅火的水：
2 Al(OH)3 • xH2O → Al2O3 + (x+3)H2O
最後，值得一提的是，表六中的鹵素阻燃劑，一般為含溴或氯化合物，又以溴系的阻燃效果較為顯著，但環境危害大，如溴化二苯與溴化二苯醚類，經燃燒後會產生腐蝕性極強溴自由基與溴酸，及高毒性的呋喃(polybromine dibenzofurans)及戴奧辛(polybromine dibenzodioxins)致癌物質，目前已受到RoHS(Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)的禁用，所以必須慎選阻燃劑，業者使用阻燃劑時，考慮要項可包括：
1. 友好環境，必須無毒、無腐蝕性氣體、可生物分解。
2. 優良的耐環境性質，材質可水解、老化。
3. 優良的加工性質、熱安定性、及相容性。
4. 價格具有競爭性。
5. 容易通過燃燒測試與容易回收再利用。
一般建議以使用氮化物阻燃燃劑較為理想，主要因該系列化合物價格較便宜、低煙低毒、低腐蝕性、且環境負擔較小。
