Điều gì xảy ra khi đốt cháy nhựa PVC và PE?

Một công ty viễn thông lớn đã ủy quyền cho một cuộc nghiên cứu để xác định loại vật liệu cách điện nào sẽ được sử dụng trên hệ thống dây cáp điện trong các văn phòng trung tâm của họ.

Ngoài các tiêu chí điển hình liên quan đến các đặc điểm tiếp xúc với điện, cơ học và môi trường, một phân tích và so sánh đã được thực hiện về lượng khí độc sinh ra khi đốt cháy hai vật liệu cách điện polyvinyl clorua (PVC) và polyetylen (PE).

Phân tích này chủ yếu dựa trên việc xem xét thông tin có sẵn trong các nguồn tài liệu kỹ thuật, cung cấp dữ liệu về bản chất của các loại khí thải ra, các ngưỡng độc tính khác nhau và kết quả của các thí nghiệm trên động vật với PE và PVC.

Cách điện PE khi đốt cháy?

Nhựa PE được giới thiệu thương mại lần đầu vào đầu những năm 1950, là một polyme bán tinh thể. Nó được cấu tạo bởi các chuỗi của các nhóm anken. PE là chất dễ cháy, trừ khi chất chậm cháy như hợp chất không chứa halogen (LSZH) được thêm vào, nó được sử dụng rộng rãi làm dây nối qua cáp điện thoại.

Các ruột dẫn riêng lẻ của dây cáp điện thoại có thể được bọc lớp cách điện PE, và đôi khi vỏ bọc là PVC. PE cũng được sử dụng dưới dạng cách điện bọt xốp trong cáp đồng trục.

Hầu hết các hợp chất PE được phân loại là mật độ thấp (LDPE), mật độ cao (HDPE), hoặc liên kết ngang (XLPE). PE liên kết ngang (XLPE) được tổng hợp bằng cách sử dụng peroxit hữu cơ, chiếu xạ hoặc ghép hóa học, tiếp theo là tiếp xúc với nước để tạo ra quá trình thủy phân.

• XLPE có trọng lượng phân tử cao và mật độ thấp, và có khả năng hoạt động đến ~ 104°C hoặc cao hơn mà không bị nóng chảy;
• PE mật độ thấp (LDPE) được sử dụng làm vỏ bọc cáp điện và cáp tín hiệu, nhưng ứng dụng của nó bị giới hạn ở nhiệt độ dưới 75°C;
• Loại mật độ cao (HDPE) có đặc điểm tương tự về tính điện sô với LDPE ngoại trừ độ cứng lớn hơn, nhưng làm tăng xu hướng bị nứt.

PE bắt đầu phân hủy khi tiếp xúc với nhiệt độ từ 330 đến 480°C, và có nhiệt độ tự bốc cháy là 350°C. Nó bắt đầu phát thải khí bắt đầu từ ~ 200°C, các khí bao gồm xeton và andehit, mà quá trình đốt cháy trở nên tự duy trì ở nhiệt độ cao hơn.

Nếu PE cháy trong điều kiện thông gió kém, cả cacbon monoxit (CO) và cacbon đioxit (CO2) cũng được tạo ra.

Cách điện PVC khi đốt cháy?

Polyvinyl clorua (PVC) bao gồm một chuỗi rất dài của anken được nối đôi với một đơn phân. Cách điện PVC linh hoạt được sử dụng rộng rãi cho dây và cáp ở điện áp dân dụng lên đến 600V, và điện áp mạch điều khiển lên đến 5 kV, ở nhiệt độ lên đến 105°C.

Các yêu cầu thử nghiệm bao gồm thời gian cháy trong thử nghiệm ngọn lửa thẳng đứng, thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho PVC ở 60°C và 75°C trong Tiêu chuẩn ICEA và UL.

PVC dễ cháy khi sử dụng chất hóa dẻo như phlalat, tuy nhiên các đặc tính chống cháy của PVC vẫn được giữ lại nhờ chất hóa dẻo như este photphat. Với việc bổ sung chất chống cháy, hiệu suất ở nhiệt độ thấp của PVC bị ảnh hưởng, (tức là độ giòn tăng lên và khả năng chống va đập bị giảm).

PVC bắt đầu phân hủy trong ~ 150 đến 300°C, tự bốc cháy ở 450°C, ~ 230°C sẽ phát thải khí HCl dưới dạng sương mù trắng và khí CO chủ yếu phát thải trên 250°C. Từ 400 đến 600°C khí ethylene, benzen, naphthalene và các hydrocacbon khác được phát thải.

Khi đốt cháy các sản phẩm này với lượng oxy vừa đủ sẽ tạo ra HCl, CO và CO2.

Kết quả khi đối cháy PVC và PE

Trong một nghiên cứu khác, các sản phẩm phân hủy của PE và PVC đã được dự đoán bằng cách sử dụng phân tích máy tính.

Nếu đốt cháy thử nghiệm PE trong không khí đến ~ 250°C, PE sẽ nóng chảy và ở một mức độ nào đó sẽ phân hủy mà không cháy.

Lượng CO thoát ra trong quá trình đốt cháy PE khi ngưỡng nhiệt độ từ 480 đến 530°C, phụ thuộc vào tỷ lệ oxy/PE monome:

• Với tỷ lệ 1:1, nồng độ CO tối đa là 9400ppm (phần triệu) sau khi đốt cháy 10 g PE trong một ngăn kín 1.7m3.
• Với tỷ lệ 3:1 – oxy/ PE monome, nồng độ CO tối đa đạt được chỉ ~ 1410ppm.

Cần lưu ý rằng giới hạn phơi nhiễm cho phép đối với CO tại thời điểm đó là 50vppm, và mức IDLH (Nguy hiểm ngay lập tức đến tính mạng hoặc sức khỏe) là 1500ppm.

PE được phân tích khí độc trong 3 điều kiện cố định: oxy hóa nhiệt trong không khí ở 350°C; nhiệt phân trong heli ở 400°C, và đốt cháy trong không khí ở nhiệt độ 600°C.

• Trong quá trình oxy hóa nhiệt, các sản phẩm khí chính phát thải ra là anđehit chiếm ~ 48% và xeton chiếm ~2,8%. Ngoài các hợp chất chứa oxy còn có ~25% olefin và 12% parafin.
• Sau khi nhiệt phân, tổng số olefin là ~59% và parafin là ~35%. Andehit là ~31% so với 48 % cho quá trình oxy hóa nhiệt.
• Trong quá trình đốt cháy trong không khí ở nhiệt độ ~600°C, andehit ~46 %. Axit acrylic rõ ràng là thành phần độc hại nhất trong các sản phẩm đốt cháy PE.

Khi thử nghiệm PVC, nồng độ HCl tối đa ~ 2100ppm sau khi đốt cháy 10g PVC trong ~ 50 phút ở ngưỡng nhiệt từ 260 đến 300°C. Giới hạn tiếp xúc cho phép đối với HCl là 5ppm và mức IDLH cho phép là 100ppm.

Người ta cũng xác định rằng các sản phẩm phân hủy và đốt cháy chính của 50% PVC, 1g mẫu có thể tích 1m2 ở 550°C là 220ppm CO, không clo, 360 ppm HCl và 0,10ppm phosgene. Phosgene có đặc điểm hấp phụ trên màng nhầy của phổi mạnh hơn HCl. Mức IDLH của nó là 2 ppm. Nó sẽ gây nguy hiểm sau 30′ – 1h tiếp xúc với ~12,5 ppm và sẽ gây tử vong trong 30′ ở 25 ppm. Phosgene thủy phân (phản ứng với các ion nước) thành HCl và CO tại các phế quản và phế nang của phổi, gây ra phù phổi và ngạt thở.

Tóm tắt kết quả thử nghiệm

Trong các điều kiện thử nghiệm giống hệt nhau, động vật thí nghiệm có các triệu chứng ban đầu của chứng loạn dưỡng cơ sau khoảng thời gian tiếp xúc với các hợp chất phân hủy bởi nhiệt của PVC và PE là tương đương nhau.

• Tuy nhiên, cái chết thường xảy ra sớm hơn ~20 -30% khi chúng bị nhiễm khí độc PE so với khí độc PVC.
• Tất cả các trường hợp tử vong đều do nồng độ CO cao.
• PVC thải ra một lượng đáng kể khí (HCl) có tác hại lâu dài với phổi; trong khi các hợp chất phân hủy của PE không đáng kể.

Tình huống như trên có thể xảy ra trong thiết bị điện khi dòng điện rò rỉ do cách điện bị lỗi, nhiễm bẩn hoặc hư hỏng mà không xảy ra hỏa hoạn.

Tham khảo ECmag