Pengembangan Resin Tahan Api untuk Material Komposit
Blog ini adalah lanjutan dari fitur Februari saya "Menahan api tanpa beban tambahan". Dalam wawancara untuk artikel itu, tiga supplier/brand resin yang berbeda disebutkan: Ashland, Polynt dan Scott Bader. Saya memutuskan untuk menelusuri ketiga perusahaan ini untuk mengetahui lebih lanjut.
Produk
Resin paling terkenal Ashland untuk komposit tahan api (FR) adalah MODAR, singkatan dari MODified Acrylic Resin. Ini non-halogen, namun Ashland juga menawarkan produk Hetron polyester atau vinilester yang mengandung halogen.
Crestapol 1212 Scott Bader adalah urethane akrilat, juga non-halogen, "yang bermain di sandbox yang sama dengan Modar," menurut Jean-Pascal (JP) Schroeder, direktur teknis untuk lem dan komposit Scott Bader Amerika Utara. Resin polyester Crystic juga tersedia, dalam formulasi yang mengandung halogen atau bebas halogen.
Grup Polynt-Reichhold menggabungkan empat produsen resin legacy: PCCR, CCP, Polynt dan Reichhold. Dua produk utama untuk komposit FR adalah teknologi resin DION yang mengandung brom (elemen brom/Br adalah halogen) dari Reichhold dan resin laminasi NORSODYNE/FIREBLOCK gelcoat yang didasarkan pada teknologi intumescen yang dikembangkan oleh CCP.
Halogen versus Non-halogen
"Kimia halogen jauh lebih unggul dari segala yang lain," kata Thom Johnson, manajer bisnis Ashland untuk resin khusus. "Metrik performa untuk setara dengan resin yang mengandung brom sangat sulit untuk dikalahkan." Dia menjelaskan bahwa brom (Br) sebagai aditif resin sangat efektif namun juga berat molekul rendah, sehingga dapat lixiviasi di tempat pembuangan sampah. Banyak aditif brom memiliki toksisitas tinggi dan tidak lagi diizinkan. "Namun ada yang lain yang memiliki toksisitas rendah dan bekerja dengan baik," catat Johnson.
Alternatifnya adalah mengaitkan Br ke tulang belakang resin, menghasilkan resin yang mengandung brom, yang memiliki berat molekul tinggi. "Dengan demikian, ini tidak larut dalam air dan tidak akan lixiviasi," catat Johnson. "Ini juga menghilangkan khawatiran metabolik dan tidak dapat bermigrasi jauh dari komponen komposit, sehingga tidak ada toksisitas yang terkait dengan bagian akhir." Kimia resin yang mengandung brom ini adalah apa yang ditawarkan Ashland melalui produk Hetronnya. "Kami memiliki enam atau lebih produk yang kami tawarkan ke berbagai industri di mana kami bertujuan untuk memenuhi FR saja, bukan asap," kata Johnson.
Bukan asap? "Resin yang mengandung brom tidak dapat lolos persyaratan asap dan toksisitas," menjelaskan Rick Pauer, manajer pengembangan aplikasi untuk Polynt Composites USA. Resin DION, bagian dari garis produk Reichhold, didasarkan pada teknologi resin yang mengandung brom. "Namun jenis resin ini tidak dapat lolos FST untuk interior pesawat atau standar Eropa untuk aplikasi rel EN 45545," catat Pauer.
"Ada tes sederhana jika Anda ingin melihat seberapa beracun asap dari komposit," kata Schroeder di Scott Bader. "Nyalakan api dan catat warna asap. Toksisitas meningkat dengan kegelapan warna — asap putih memiliki lebih banyak air dan asap beracun lebih sedikit, sementara asap hitam kemungkinan memiliki asap yang sangat beracun."
Schroeder mencatat bahwa Scott Bader adalah anggota Pinfa-NA, grup saudara Amerika Utara dari Pinfa, yang bekerja untuk mengembangkan dan mempromosikan solusi FR non-halogen di Eropa. Mereka rutin mengadakan lokakarya, termasuk beberapa tentang plastik tahun lalu serta kendaraan listrik.
Resin dan gelcoat intumescen
"Fokus kami telah pada intumescen," kata Pauer di Polynt. Sebagaimana dijelaskan dalam artikel fitur April, intumescen adalah zat yang diaktifkan oleh panas untuk melebar dan membentuk arang karbon poros yang secara termal mengisolasi komposit di bawahnya dan menghambat produksi volátil terbakar. "Ini adalah teknologi yang digunakan dalam resin laminasi NORSODYNE dan gelcoat FIREBLOCK," catat Pauer. "Produk ini tidak menggunakan halogen, sehingga non-toksis. NORSODYNE akan lolos persyaratan asap ASTM E-84. Dan semakin tebal laminat, semakin baik performanya." Ini karena ada lebih banyak aditif intumescen, sehingga lapisan arang menjadi lebih tebal untuk lebih banyak perlindungan. Ini juga menjelaskan mengapa menggunakan NORSODYNE ditambah FIREBLOCK gelcoat memberikan performa yang lebih baik dibandingkan NORSODYNE sendirian.
Resin MODAR Ashland terisi ATH digunakan dalam aplikasi bangunan seperti interior Omaha Performing Arts Center (atas) dan resin Hetronnya memberikan resistensi api untuk panel serat kaca transparan (bawah). SUMBER | Ashland.
Resin terisi
Meskipun resin yang mengandung brom masih mendominasi pasar secara keseluruhan, resin yang paling banyak digunakan untuk komposit FR asap rendah adalah sistem berbasis akrilat yang terisi banyak alumina trihydrate (ATH), termasuk MODAR Ashland dan Crestapol Scott Bader. Keduanya adalah polimer urethane akrilat modifikasi dengan sedikit atau tidak ada styrene, yang terakhir mudah terbakar. "Resin ini memungkinkan penggunaan hingga 170 bagian ATH untuk 100 bagian resin bersama dengan penguatan serat," menjelaskan Schroeder di Scott Bader. "Jadi Anda secara dasar mendekati material anorganik dengan mengurangi konten resin organik."
"MODAR memberikan properti mekanis yang baik dengan jumlah asap non-toksis yang rendah dan resistensi api yang baik," menjelaskan Johnson di Ashland. "Karena viskositasnya rendah, ini menawarkan kemampuan untuk menambahkan jumlah filler ATH yang tinggi. Anda juga dapat menggunakan aditif fosfat dan intumescen." Biasanya, resin dengan tingkat ATH tinggi akan sulit diproses karena menjadi viskus dan tidak mengalir. Resin terisi ini juga dapat rapuh saat dikuring. Johnson mengatakan viskositas rendah resin akrilat ini memungkinkan pengisian filler tinggi sambil mempertahankan prosesabilitas. Sementara itu, keawetan mereka mirip dengan polyurethan, sehingga tidak menjadi rapuh saat dikuring.
Diskusi singkat tentang akrilat. Meskipun resin MODAR dan Crestapol yang dibahas di sini adalah termoset, akrilat mencakup luasnya material yang mencakup termoplastik, seperti poly methyl methacrylate (PMMA, dikenal dengan nama dagangan Lucite dan Plexiglas), serta PMMA yang bereaksi dengan termoset untuk membentuk metakrilat metil termoset (MMA) dan urethane akrilat.
Catatan lain, Ashland dan Scott Bader hanya menjual resin mereka dengan ATH yang telah dicampur di Eropa. Di AS, kedua perusahaan menjual resin murni dan memberikan dukungan teknis untuk membantu pelanggan menyesuaikan jenis dan jumlah ATH yang ditambahkan, dengan saran tentang rasio pencampuran dan prosedur.
ATH dan infusi
Pauer menyarankan bahwa infusi dengan resin terisi ATH dapat tantang. "Beberapa partikel lebih besar dari yang dapat Anda infus tanpa menyaringnya," katanya, dengan menyebutkan sistem dengan lebih dari 35-40 persen ATH tidak infus dengan baik. Schroeder menambahkan bahwa serat karbon juga membatasi penggunaan sistem terisi ATH, "karena terlalu sulit untuk membasahi ikatan filamen serat karbon, yang lebih rapat dibandingkan serat kaca." Dia menambahkan bahwa infusi sistem terisi ATH ke kain serat kaca memungkinkan, "tetapi Anda perlu menggunakan penguat tipe aliran terbuka seperti yang SAERTEX kembangkan untuk LEO dan seperti Chomarat hasilkan dengan kain G-flownya. Ini membantu mencegah penyaringan ATH."
Aplikasi transportasi massal
Contoh aplikasi transportasi massal adalah dalam manufaktur 775 gerbar baru untuk sistem rel Bay Area Rapid Transit (BART) di San Francisco. Gerbar baru pertama masuk layanan pada 2018, dan produsen Bombardier akan menyelesaikan pengiriman pada 2022.
Menurut Pauer, resin laminasi intumescen NORSODYNE H-81269TF Polynt-Reichhold digunakan di panel terisi serat kaca yang membentuk bagian dari rangkaian lantai gerbar baru ini. Panel-panel ini memberikan perlindungan api dari bawah gerbar dan mengintegrasikan saluran AC ter cetak, mengurangi berat dan ketebalan rangkaian lantai dari desain non-komposit sebelumnya.
Schroeder mencatat bahwa Scott Bader juga memverifikasi Crestapol 1212 dengan pembuat komposit yang bekerja pada bagian untuk gerbar BART baru. "Bombardier menggunakan produk kami, namun masing-masing divalidasi per aplikasi," katanya menjelaskan.
Gerbar baru BART menggunakan komposit ringan untuk mencapai perlindungan api bawah gerbar, termasuk resin intumescen NORSODYNE dari Polynt-Reichhold.
SUMBER | Bombardier.
Untuk aplikasi bus, Polynt telah mengembangkan pendekatan alternatif menggunakan FIREBLOCK gelcoat untuk memenuhi persyaratan Docket 90, yang mencakup pengujian ASTM E162 dan ASTM E662. "Kami memiliki pelanggan yang membuat bagian bus menggunakan transfer resin (RTM), di mana pengisian filler ATH tinggi menciptakan masalah," kata Pauer. "Dengan melapisi kedua sisi bagian dengan FIREBLOCK 2330PAWK745 gelcoat, mereka dapat memenuhi standar Doc 90 untuk api dan asap sambil menggunakan resin RTM konvensional Polynt."
Kendaraan Listrik
Ini adalah pasar pertumbuhan tinggi untuk komposit FR. "Tray baterai EV adalah aplikasi yang menarik karena Anda ingin menggunakan serat karbon untuk kekuatan mekanis tinggi, namun ini berarti Anda tidak dapat menggunakan ATH," kata Schroeder. Dia juga menyarankan bahwa para ahli memprediksi peningkatan ganda kepadatan energi baterai, yang diperlukan untuk mencapai jarak tempuh kendaraan yang diminta. "Namun jika ada yang salah," lanjut Schroeder, "dan sel baterai menangkap api, Anda sekarang memiliki lebih banyak tantangan dalam menangani api tersebut."
Perkembangan masa depan
"Ada banyak yang terjadi dan pertumbuhan di semua sektor," kata Johnson di Ashland, "namun pasar yang paling menarik adalah proyek arsitektur. Ini adalah area yang belum tergelincir sekali pun, dan penggunaan komposit memungkinkan permukaan lengkung besar serta ringan untuk bangunan bertingkat. Kami melihat ini突破 dengan arsitek terkemuka di seluruh dunia." Pauer telah menjadi pendukung kuat untuk komposit dalam konstruksi dan merupakan anggota kunci divisi arsitektur ACMA, yang telah menerbitkan pedoman untuk penggunaan komposit dalam bangunan, termasuk bagian besar tentang peraturan dan pengujian api.
Contoh dalam slideshow di atas juga menunjukkan pekerjaan pengembangan Scott Bader dalam bangunan/konstruksi, namun Schroeder mengungkapkan beberapa kekhawatiran. "Untuk pasar komersial besar ini, produk komposit FR harus memiliki prosesabilitas yang kuat. Jika Anda tidak akan membuat produk dengan cukup mudah untuk digunakan oleh pembersih cetakan, mereka tidak akan berhasil di pasar." Dia mencatat bahwa semua perusahaan terus mencari solusi yang berperforma seperti sistem yang mengandung halogen namun tanpa toksisitas.
Bagaimana dengan alkohol furfuril polimer (PFA)? Resin bio-bersi ini yang reportedly berperforma sama baik dengan fenolik sedang dijual oleh SHD Composites dan Composites Evolution untuk penggunaan dalam aplikasi rel. "Kekhawatiran dengan PFA adalah mengeluarkan air selama proses karena ini adalah polimer reaksi kondensasi, sama seperti fenolik," menjelaskan Schroeder. Mungkin inilah sebabnya mengapa produk sejauh ini didasarkan pada prepreg dan bukan infusi.
Schroeder mencatat bahwa pembuat sedang beralih dari melihat satu bahan dan sebagai itu mempertimbangkan sistem keseluruhan, termasuk laminat plus lapisan pelindung. Dia menyebut SAERTEX LEO SYSTEM sebagai contoh (lihat artikel fitur April). "Orang menggunakan resin FR ditambah gelcoat intumescen dan veil seperti Tecnofire," kata Schroeder. "Solusi ini memungkinkan volume serat yang tinggi."
"Resin selalu akan terbakar, kecuali fenolik," lanjutnya. "Harapan saya adalah kita mendapatkan sesuatu yang memiliki retardansi api mirip dengan fenolik namun dapat diinfus untuk menghasilkan struktur volume serat tinggi menggunakan serat karbon." Dia menambahkan bahwa Scott Bader sedang mengejar beberapa perkembangan yang menjanjikan, namun tidak ada yang siap untuk pasar saat ini.
"Sebagai penyedia resin, kami menyediakan baik bahan bakar untuk api maupun sarana untuk teknologi untuk menolaknya," kata Johnson. "Tantangannya adalah memiliki portofolio produk dan kimia performa FR tinggi serta pengetahuan dan riwayat pengujian untuk mengetahui apa yang bekerja dengan baik dan mengapa." Dan itulah keahlian yang ditawarkan oleh penyedia resin ini. Jangan ragu untuk menghubungi saya (ginger@compositesworld.com) untuk informasi lebih lanjut atau untuk terhubung dengan para ahli ini dan lainnya.
