سيليكون مقاوم للهب: سلوك الحريق، UL94، EN 45545 و NFPA 130

يُحدد معظم المشترين "السيليكون المقاوم للهب" بالطريقة التي يختارونها بها في قائمة المنتجات. فهم يفترضون أنه مادة واحدة ذات سلوك ثابت.

ليس الأمر كذلك. فمقاومة اللهب هي نتيجة اختبار مرتبطة بمعيار محدد، وسُمك عينة محدد، واتجاه محدد. قد تجتاز مادة ما اختبار الاحتراق الأفقي، لكنها قد تفشل في اختبار الاحتراق الرأسي. كما أن قطعة تنطفئ ذاتيًا على طاولة الاختبار قد تتجاوز حدّ الدخان أو السمية المسموح به في السكك الحديدية، وبالتالي تُرفض عند إصدار الشهادة.

نادرًا ما تظهر هذه الفجوة أثناء أخذ العينات، بل تظهر بعد أشهر، عند المصادقة أو خلال تدقيق مقاومة الحريق، عندما لا يتطابق تقرير الاختبار مع المعيار المطلوب للتطبيق النهائي. يكمن الخطر هنا في سوء فهم المعيار، وليس في سوء التركيب. توضح هذه الصفحة سلوك السيليكون في الحريق، وحدود الاختبار. يُعدّ سلوك السيليكون في الحريق جانبًا واحدًا فقط من خصائصه الأوسع. خصائص المواد, ومثل باقي المكونات، يتغير ذلك بتغير الدرجة ونظام الحشو.

ملخص تنفيذي

• لا يُعتبر مطاط السيليكون القياسي "غير قابل للاشتعال". فهو آمن نسبياً من الحرائق: إذ يميل إلى الإطفاء الذاتي، ويحترق ليتحول إلى رماد السيليكا (SiO₂) غير الموصل للكهرباء، ولا يُطلق أي هالوجينات. — لكن الدرجات الأساسية عادة ما تصل فقط إلى UL94 HB، وليس V-0.
• يُعد تصنيف UL94 V-0، ونتيجة كثافة الدخان المنخفضة، والامتثال لمعيار EN 45545 / NFPA 130 ثلاثة اختبارات منفصلة. لا يعني اجتياز أحد المعايير اجتياز المعايير الأخرى. تتعطل أجزاء السكك الحديدية ووسائل النقل في أغلب الأحيان بسبب الدخان والسمية، وليس بسبب الاشتعال.
• حدد المعيار ومستوى الخطورة، وليس كلمة "مثبط اللهب".“ الدرجة ونظام الحشو وما إذا كنت بحاجة إلى سيليكون سيراميكي (سلامة الدائرة) كلها تتبع الشهادة التي يجب أن يحملها الجزء.

كيف يتصرف السيليكون في الحريق

يتكون الهيكل الأساسي للسيليكون من رابطة السيليكون والأكسجين (Si-O)، وهي رابطة عالية الطاقة تظل مستقرة خلال نطاق الخدمة المستمر القياسي من -40 درجة مئوية إلى 230 درجة مئوية. تحت تأثير اللهب المباشر، تتأكسد المجموعات الجانبية العضوية (معظمها ميثيل) أولاً، ويتحول الهيكل الأساسي إلى سيليكا غير متبلورة.

هذا التحول هو السبب في اختلاف سلوك السيليكون عن اللدائن الحرارية عند تعرضه للحريق. فهو لا ينصهر ولا يتقطر، بل يُكوّن طبقة عازلة من رماد السيليكا تحمي المادة الموجودة تحته وتُبطئ الاحتراق. كما أن العديد من أنواع السيليكون متعددة الاستخدامات تنطفئ ذاتيًا بمجرد إزالة مصدر اللهب.

ال مؤشر الأكسجين المحدود (LOI) يعكس هذا. عادةً ما يقع مطاط السيليكون في نطاق 26-39% اعتمادًا على نسبة الحشو والمواد المضافة المقاومة للهب، مقابل 21% للأكسجين في الهواء المحيط.

تشير القيمة التي تتجاوز 21% إلى أن المادة لن تشتعل بسهولة في الهواء العادي. تقع الدرجات العامة في نطاق أدنى من هذا المستوى، بينما تقع درجات مقاومة اللهب في نطاق أعلى.

فجوة التقييم: "الإطفاء الذاتي" ليس مرادفًا لـ"مقاومة اللهب". يصف الإطفاء الذاتي السلوك الملحوظ، بينما تعني المقاومة اجتياز اختبار محدد عند سمك معين. تقع الفرق التي تتعامل مع المصطلحين على أنهما مترادفان في خطأ عند طلب جهة الاعتماد للتقرير.

تصنيفات مقاومة اللهب UL94 (من HB إلى V-0)

عندما تشير المواصفات إلى "V-0"، فإنها تشير إلى UL94, ، وهو ما يصنف العينة حسب كيفية احتراقها في اتجاه ثابت عند سمك محدد.

غالبًا ما يكون مستوى صلابة السيليكون الأساسي HB. ويتطلب الوصول إلى V-0 عادةً استخدام نوع مخصص من مواد مقاومة اللهب - معالجة بالبلاتين مع نظام حشو ومساعد مُعدّل. ويعتمد هذا التصنيف على سُمك المادة: فالمركب الحاصل على شهادة V-0 عند 3.0 مم لا يكون بالضرورة V-0 عند 1.0 مم. إن المواصفات التي تذكر "V-0" دون تحديد السُمك غير مكتملة، وهذا هو الخطأ الأكثر شيوعًا الذي نلاحظه في الرسومات الواردة.

عادةً ما يتم نقل اختبارين متجاورين مع UL94:

مؤشر الأكسجين المحدود (LOI)

يقيس معيار ASTM D2863 / ISO 4589 الحد الأدنى لتركيز الأكسجين اللازم لاستمرار احتراق المادة. وهو الرقم الأدق لمقارنة درجات مقاومة اللهب، لأنه لا يعتمد على شكل القطعة كما هو الحال في تصنيف الاحتراق.

اختبار السلك المتوهج (IEC 60695)

ل العلب الكهربائية والإلكترونية, يُعدّ معيار IEC 60695-2-12/13 (GWFI / GWIT) أكثر أهمية من معيار UL94. فهو يختبر قابلية الاشتعال من سلك ساخن - وهو نمط الفشل الواقعي لـ لوحة المفاتيح, ، ختم الموصل، أو الغلاف بالقرب من تيار العطل، وليس لهبًا مكشوفًا.

متطلبات كثافة الدخان وسميته

مقاومة الاشتعال هي أول ما يختبره الجميع، وهي أيضاً الجزء الذي نادراً ما يتسبب في رفض المنتج. في البيئات المغلقة - كالأنفاق وعربات السكك الحديدية ومقصورات الطائرات - يكمن الخطر الرئيسي في المواد المنبعثة أثناء احتراقها، وليس في قابليتها للاشتعال.

هذه هي الميزة الهيكلية للسيليكون، وهي متجذرة في كيمياء الاحتراق.

المعايير ذات الصلة هنا منفصلة عن معيار UL94:

• كثافة الدخان: يقيس كل من ASTM E662 (غرفة الدخان NBS) و ISO 5659-2 الدخان البصري (Ds).
• غاز خالٍ من الهالوجين / غاز حمضي: يؤكد معيار IEC 60754 عدم وجود غازات الهالوجين المسببة للتآكل.
• سمية: يستخدم المعيار EN 45545-2 مؤشر السمية التقليدي (CIT) المشتق من تحليل الغاز.

يُعدّ التفاوت في التقييم في هذه الحالة مكلفًا. فقد يجتاز نوعٌ ما اختبار الاحتراق العمودي بنجاح، ومع ذلك يتجاوز حدّ الدخان أو حدّ درجة حرارة الاحتراق (CIT) للتطبيقات المغلقة. والسبب الرئيسي وراء استبدال السيليكون هو احتراقه الخالي من الهالوجين. بولي فينيل كلوريد في مجال الكابلات و الأختام حيث يُحصر الناس أثناء الحريق. يكتشف المشترون الذين يركزون فقط على تصنيف مقاومة الحريق متطلبات الدخان والسمية متأخرًا، بعد أن يكون تصنيف مقاومة الحريق قد تم تحديده بالفعل.

شهادات السكك الحديدية والنقل العام: EN 45545 و NFPA 130

هنا يتوقف مصطلح "السيليكون المقاوم للهب" عن كونه ادعاءً متعلقاً بالمادة ويصبح تصنيفاً للمكونات.

EN 45545-2 (السكك الحديدية الأوروبية)

EN 45545-2 لا يُصدّق هذا النظام على مادةٍ بمعزلٍ عن غيرها، بل يُصنّف المكوّن النهائي حسب مستوى الخطورة - HL1، HL2، HL3 - حيث يُعدّ HL3 الأكثر تطلبًا وينطبق على بيئاتٍ مثل الأنفاق والعمليات تحت الأرض. تُجمّع المتطلبات في مجموعاتٍ (أرقام R) مرتبطة بنوع المنتج وموقعه في المركبة، مع حدودٍ لمؤشر الأكسجين وكثافة الدخان والسمية.

والنتيجة: قد يُلبي نفس مركب السيليكون أحد معايير R-set ويفشل في معيار آخر. لا يمتلك أي مادة معيار EN 45545؛ بل يتم تقييم القطعة وفقًا لمستوى خطورة وفئة منتج محددين. إن طلب "سيليكون EN 45545" دون تحديد مستوى الخطورة (HL) ومعايير R-set يُشبه في صناعة السكك الحديدية طلب معيار V-0 دون تحديد السماكة.

NFPA 130 (النقل في أمريكا الشمالية)

NFPA 130 يُشرف هذا المعيار على أنظمة النقل بالسكك الحديدية ذات المسارات الثابتة وسكك الركاب. ويستند إلى اختبارات على مستوى المكونات - مثل اختبار ASTM E162 لانتشار اللهب واختبار ASTM E662 لكثافة الدخان - بدلاً من تصنيف مادة واحدة. فعلى سبيل المثال، يحتاج جزء مؤهل لخط إنتاج HL3 أوروبي إلى دليل خاص به وفقًا لمعيار NFPA 130 لمشروع في أمريكا الشمالية؛ إذ لا يمكن استبدال التقارير.

سيليكون قابل للتشكيل بالسيراميك وسلامة الدائرة

هناك فئة متخصصة تستحق التنويه لأنها غالباً ما يتم الخلط بينها وبين السيليكون المقاوم للحريق العادي: السيليكون القابل للتسخين (القابل للتسخين) المستخدم في الكابلات المقاومة للحريق.

تحت تأثير الحريق، لا يقتصر دور هذا النوع من الكابلات على التفحم فحسب، بل يتجسد نظام الحشو فيه ليشكل قشرة خزفية متماسكة ذاتية الدعم، تحافظ على عزلها حتى بعد احتراق البوليمر. وهذا ما يضمن سلامة الدائرة الكهربائية، حيث يستمر الكابل في نقل الإشارة أو الطاقة أثناء الحريق. وهذا هو الشرط الأساسي لدوائر الإضاءة الطارئة والإنذار والإشارة.

المعايير محددة ومنفصلة مرة أخرى:

ما الذي يجب تحديده عند طلب السيليكون المقاوم للهب؟

لا تطلب "سيليكون مقاوم للهب". هذه العبارة لا تقيد أي شيء يمكننا البناء ضده، وهي مصدر معظم حالات الرفض في المراحل المتأخرة.

للحصول على درجة تؤهلنا فعلياً لاجتياز الشهادة، نحتاج إلى:

• المعيار المستهدف، وبالنسبة للسكك الحديدية، مستوى الخطر ومجموعة R (على سبيل المثال، EN 45545-2 HL2، R22) أو مرجع NFPA 130.
• سمك العينة الذي يجب أن يحافظ عليه التصنيف، لأن نتائج UL94 و LOI تتغير مع السمك.
• إن ما إذا كانت سلامة الدائرة مطلوبة أم لا - فهذا ما يحدد استخدام مادة FR العادية مقابل السيليكون الخزفي، وهما عائلات مواد مختلفة ذات تكلفة مختلفة.
• أي حدود لكثافة الدخان وسميته في البيئة المغلقة.
• الجهة المانحة للشهادة أو المختبر، لأن التقرير، وليس اسم المركب، هو ما يقوم عميلك بمراجعته.

هناك شرطان أساسيان يجب مراعاتهما عند التخطيط. تتطلب درجات مقاومة الحريق والسيراميك تكلفة مواد أعلى وفترة اختبار أطول من غيرها. سيليكون متعدد الأغراض, كما أن زيادة نسبة الحشو ترفع من نسبة الفقد عند الاشتعال. يزيد الصلابة ويقلل الاستطالة لذا، قد يُغيّر شرط مقاومة الحريق السلوك الميكانيكي لمانع التسرب أو لوحة المفاتيح دون أن يلاحظه أحد. إذا كان الجزء مُصنّفًا كمكوّن مقاوم للاشتعال وعنصرًا مانعًا للتسرب دقيقًا في الوقت نفسه، فيُرجى تزويدنا بالمواصفات الميكانيكية إلى جانب معيار مقاومة الحريق لنتمكن من التأكد من إمكانية تحقيق كليهما في مركب واحد قبل البدء في تصنيع الأدوات.

ما نحتاجه منك لاحقًا هو: المعيار المرجعي، والسماكة المقدرة، وما إذا كان التطبيق مغلقًا. بمعرفة هذه المعلومات الثلاث، يمكننا تحديد فئة الجودة المناسبة، ونقطة اختلاف التكلفة ومدة التسليم.

الأسئلة الشائعة

المراجع والمعايير

• يو إل 94 — قابلية اشتعال المواد البلاستيكية لأجزاء الأجهزة والمعدات (مختبرات Underwriters؛ متوافقة مع IEC 60695-11-10). مرجع
• مؤشر الأكسجين المحدود (LOI) — الحد الأدنى لتركيز الأكسجين اللازم لاستمرار الاحتراق، تم قياسه وفقًا لمعيار ASTM D2863 / ISO 4589. مرجع
• IEC 60695-2-12:2021 — طريقة اختبار مؤشر قابلية الاشتعال باستخدام الأسلاك المتوهجة (GWFI) للمواد (IEC). مرجع
• ISO 5659-2:2017 — توليد الدخان: تحديد الكثافة البصرية عن طريق اختبار غرفة واحدة (ISO). مرجع
• EN 45545-2:2020 — تطبيقات السكك الحديدية: متطلبات سلوك الحريق للمواد والمكونات (CEN). مرجع
• NFPA 130 — معيار أنظمة النقل ذات المسار الثابت وأنظمة السكك الحديدية للركاب (NFPA). مرجع
• IEC 60331-1:2018 — اختبار سلامة الدوائر الكهربائية للكابلات تحت تأثير الحريق والصدمات الميكانيكية (IEC). مرجع