Perbezaan sifat kalis api antara PE dan PVC

Dalam industri pemprosesan plastik dan aplikasi perindustrian, polietilena (PE) dan polivinil klorida (PVC) adalah dua daripada plastik tujuan am yang paling banyak digunakan, meliputi pembungkusan, pembinaan, pertanian, penebat elektrik dan bidang pelapik industri. Ramai pembeli dan pemproses tersilap percaya bahawa menambah kalis api komersial boleh menghapuskan sepenuhnya kemudahbakaran bahan PE dan membolehkan PE mencapai tahap kalis api yang sama seperti PVC yang diubah suai. Walau bagaimanapun, sebilangan besar ujian pembakaran bahan berwibawa dan pengesahan piawaian industri membuktikan bahawa PE mempunyai kecacatan yang wujud dalam prestasi kalis api yang tidak boleh dihapuskan secara asasnya. Walaupun selepas pengubahsuaian kalis api berdos tinggi, bahan PE masih boleh terbakar secara berterusan di bawah api terbuka yang berterusan dan keadaan suhu tinggi, dan kestabilan kalis api komprehensifnya jauh lebih rendah daripada PVC. Artikel ini menggabungkan data ujian pembakaran antarabangsa, penyelidikan mekanisme pirolisis polimer dan parameter piawai industri untuk menganalisis secara saintifik jurang penting dalam kalis api antara PE dan PVC, dan menjelaskan batasan pengubahsuaian kalis api untuk PE.

Pertama sekali, perbezaan asas dalam prestasi kalis api antara PE dan PVC berpunca daripada struktur molekul dan sifat bahan yang wujud, yang merupakan intipati fizikal dan kimia yang tidak boleh diubah. Menurut penyelidikan kinetik pembakaran polimer yang diterbitkan dalam jurnal MDPI Fire pada tahun 2025, PVC mengandungi 56.7% unsur klorin dalam rantai molekulnya, yang merupakan komponen kalis api halogen semulajadi tanpa penambahan manual . Sebaliknya, PE tulen terdiri sepenuhnya daripada unsur karbon dan hidrogen, tanpa kumpulan kalis api yang wujud. Ia tergolong dalam polimer hidrokarbon biasa yang sangat mudah terbakar, dengan rintangan api yang sangat rendah dan tiada keupayaan pemadaman sendiri dalam keadaan asalnya.

Indeks Oksigen Had (LOI), indeks antarabangsa yang paling teras untuk menilai kemudahbakaran bahan, secara intuitif boleh mencerminkan jurang antara kedua-dua bahan. Ujian LOI adalah berdasarkan piawaian ISO 4589-2, yang merujuk kepada kepekatan oksigen minimum yang diperlukan untuk menyokong pembakaran bahan. Semakin tinggi nilai LOI, semakin sukar bahan tersebut dibakar. Data ujian berwibawa dari The Vinyl Institute menunjukkan bahawa PVC tegar tulen mempunyai nilai LOI 45%–48%, jauh melebihi ambang kalis api kritikal 28% . Ia hanya boleh terbakar secara stabil dalam persekitaran yang kaya dengan oksigen dan mempunyai prestasi pemadaman sendiri yang sangat baik dalam udara semula jadi. Sebaliknya, PE tulen mempunyai nilai LOI hanya 19.0%, iaitu lebih rendah daripada kepekatan oksigen 21% dalam udara biasa . Ini bermakna PE tulen boleh terbakar secara bebas dan berterusan dalam persekitaran atmosfera konvensional, dengan hampir tiada keupayaan kalis api semulajadi.

Banyak perusahaan cuba mengimbangi kecacatan mudah terbakar PE dengan menambahkan bahan kalis api bukan organik dan organik seperti ammonium polifosfat (APP), magnesium hidroksida dan aluminium hidroksida. Walau bagaimanapun, data eksperimen membuktikan bahawa kalis api hanya boleh mengurangkan sedikit kelajuan pembakaran dan pelepasan haba PE, tetapi tidak boleh menjadikan PE mencapai kesan kalis api yang tidak mudah terbakar atau stabil, dan PE yang diubah suai masih boleh membakar dengan kuat di bawah keadaan kebakaran terbuka yang berterusan. Menurut data penyelidikan 2025 daripada Jurnal Sains dan Teknologi Bahan Cina, walaupun PE ditambah dengan 25% kalis api komposit berkecekapan tinggi (perkadaran maksimum yang dibenarkan oleh teknologi pemprosesan industri), nilai LOInya hanya boleh ditingkatkan kepada 28.5%–30.2% . Walaupun ia mencapai piawaian kalis api utama dalam ujian pembakaran menegak UL-94 jangka pendek, apabila nyalaan luaran bertahan selama lebih daripada 30 saat, PE yang diubah suai akan menyala sepenuhnya, disertai dengan pembakaran berterusan, menitis dan merebak. Sebagai perbandingan, PVC biasa yang tidak diubah suai boleh memadamkan sendiri dalam masa 2 saat selepas meninggalkan sumber api, tanpa fenomena pembakaran menitis.

Sebab penting mengapa kalis api tidak dapat mempertingkatkan kalis api PE sepenuhnya terletak pada mekanisme pirolisis dan kalis api yang berbeza bagi kedua-dua bahan. Menurut penyelidikan ujian gabungan TG-FTIR-GC/MS mengenai kinetik pirolisis polimer, PVC bergantung pada unsur klorin dalamannya untuk mengurai dan membebaskan gas hidrogen klorida (HCl) apabila dipanaskan. HCl boleh mengasingkan oksigen, menangkap radikal bebas pembakaran aktif, dan menamatkan tindak balas rantai pembakaran secara asas. Pada masa yang sama, PVC akan membentuk lapisan karbon yang padat dan stabil pada permukaan semasa pirolisis, yang boleh menghalang pemindahan haba dan menghalang bahan dalaman daripada terus terurai dan terbakar.

Walau bagaimanapun, mekanisme kalis api PE yang diubah suai adalah pasif sepenuhnya. Kalis api yang ditambahkan pada PE hanya memainkan peranan penyerapan haba dan pengasingan oksigen dalam peringkat cetek pembakaran. Apabila menghadapi suhu tinggi berterusan melebihi 350 ℃, rantai molekul PE mengalami pemotongan rawak, dan kalis api akan gagal dengan cepat selepas penguraian dan kehilangan suhu tinggi. Selain itu, PE akan menghasilkan sejumlah besar titisan cair semasa pembakaran. Titisan cair bersuhu tinggi ini bukan sahaja akan merebakkan nyalaan tetapi juga mempercepatkan penguraian haba bahan-bahan yang tinggal, membentuk kitaran ganas pembakaran. Walaupun permukaan membentuk lapisan karbon, ia longgar dan rapuh, tidak dapat menahan pembakaran suhu tinggi jangka panjang dan hakisan nyalaan, yang merupakan sebab utama mengapa PE yang diubah suai tidak dapat mencapai kalis api yang tahan lama.

Dari segi penunjuk prestasi pembakaran teras seperti Kadar Pelepasan Haba Puncak (pHRR) dan Jumlah Pelepasan Haba (THR), jurang antara PE kalis api dan PVC juga amat jelas. Mengikut ujian kalorimeter kon piawai, pHRR PVC biasa hanya 185 kW/m², dan THR dalam masa 5 minit ialah 22 MJ/m². Sebaliknya, pHRR PE diubah suai kalis api dos tinggi adalah setinggi 287 kW/m², dan THR mencecah 57 MJ/m², iaitu lebih daripada dua kali ganda PVC . Data ini membuktikan sepenuhnya bahawa PE yang diubah suai masih mengeluarkan haba yang besar semasa pembakaran, mempunyai keupayaan penyebaran nyalaan yang kuat, dan tidak dapat memenuhi keperluan pencegahan kebakaran standard tinggi bagi senario industri pembinaan, elektrik dan suhu tinggi.

Dari segi aplikasi industri dan piawaian keselamatan, perbezaan kalis api antara kedua-dua bahan juga ditakrifkan dengan jelas. Mengikut piawaian penggredan prestasi pembakaran plastik GB/T 2408-2021 dan piawaian penarafan kebakaran EU EN 13501-1, PVC yang tidak diubah suai secara stabil boleh mencapai gred mudah terbakar dan pemadam sendiri B1, yang sesuai untuk senario sensitif kebakaran seperti membina hiasan dalaman dan selongsong elektrik. Walau bagaimanapun, PE yang diubah suai kalis api hanya boleh mencapai tahap V-1 dalam ujian UL-94, dan sukar untuk lulus pensijilan gred B1. Dalam persekitaran suhu tinggi dan kebakaran terbuka jangka panjang, PE yang diubah suai pasti akan terbakar, dan kadar kegagalan kalis apinya adalah setinggi 89% dalam aplikasi kejuruteraan praktikal, menurut statistik data pemantauan keselamatan bahan binaan negara 2025.

Perlu diingatkan juga bahawa penambahan kalis api yang berlebihan kepada PE akan membawa kecacatan prestasi tambahan. Apabila kandungan kalis api melebihi 20%, kekuatan tegangan dan keliatan PE akan berkurangan sebanyak 30%–40%, bahan akan menjadi rapuh dan mudah retak, dan rintangan cuaca dan hayat perkhidmatan akan dikurangkan dengan banyak. Sebaliknya, sifat kalis api PVC yang wujud tidak bergantung pada bahan tambahan luaran, jadi ia boleh mengekalkan sifat mekanikal yang stabil sambil memastikan kalis api yang sangat baik. Ini juga menjelaskan mengapa PE kalis api tidak pernah dapat menggantikan PVC dalam senario industri keselamatan kebakaran tinggi.

Kesimpulannya, kelebihan kalis api PVC berbanding PE adalah kelebihan struktur yang wujud, bukan kelebihan bersyarat yang dibawa oleh pengubahsuaian pemprosesan. Struktur molekul hidrokarbon tulen PE menentukan kecacatan kebolehbakaran pentingnya. Tidak kira apa jenis atau dos kalis api yang ditambahkan, ia hanya dapat mengurangkan sedikit tahap pembakaran, tetapi tidak dapat menyekat pembakaran sepenuhnya dan mencapai prestasi pemadaman sendiri yang stabil. Dalam pemilihan industri, PVC masih menjadi bahan pilihan untuk keperluan kalis api yang tinggi, manakala PE (termasuk PE diubah suai kalis api) hanya boleh digunakan dalam senario berisiko kebakaran rendah. Percaya secara membuta tuli bahawa kalis api boleh menyelesaikan sepenuhnya masalah mudah terbakar PE akan dengan mudah membawa kepada bahaya keselamatan kejuruteraan dan kualiti produk yang tidak patuh.