塑膠材料的耐燃性(中華水電冷凍空調雜誌104年3月號)

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:

          n034          10403圖片2

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
      n035

    (三)圖示:
                                      10403圖片3

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
    n037

    (三)圖示:

                           n038                  n039

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
    10403table3

(四)圖示:
                                        n041

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
    n042
    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:
                     n043   
         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
    n044
         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
    n045
     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:
                  n046

             (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。


列印  

Related Articles