При проектирането и разработването наогнеупорен полипропилен (PP) материалs, често пренебрегван, но изключително важен научен въпрос е: Как самата структура на молекулярната верига на РР влияе върху неговата устойчивост на горене? От гледна точка на химията на полимерите и науката за горенето, това изследване систематично анализира фундаменталните разлики между хомополимерния полипропилен (Homo-PP) и съполимерния полипропилен (Co-PP) по отношение на поведението при термично разграждане, образуването на овъглен и взаимодействията със забавители на горенето, предоставяйки теоретична основа за избора и дизайна на формулировката на високоефективни огнезащитни PP материали.
Хомополипропиленът е изцяло полимеризиран от пропиленови мономери, характеризиращ се с висока редовност на молекулната верига и силна способност за кристализация (обикновено с кристалност от 50-70%). Тази висока степен на редовност води до термична деградация, започваща от произволно разкъсване на веригата, основно произвеждайки алканови и олефинови фрагменти с ниско молекулно тегло. По време на горенето подаването на гориво е бързо и продължително.
Съполимерният полипропилен (обикновено случаен или блоков съполимер на пропилен и етилен) въвежда етиленови единици, нарушавайки редовността на молекулната верига. Наличието на етиленови комономери генерира два ключови ефекта:
Намалете кристалността (обикновено 30-50%) и увеличете дела на аморфните области
· Въведете слаби места в молекулярната верига, особено химичните връзки в съседство с третичните въглеродни атоми, които са по-склонни към разкъсване
Тази структурна разлика фундаментално променя пътищата на термично разграждане и поведението при горене на материала.
2.1 Системи за забавяне на горенето в газова фаза (като базирани на бром и фосфор)
Забавителите на горенето на базата на бром, представени от декабромодифенил етан, функционират главно чрез улавяне на свободните радикали във верижната реакция на горене. Горивните фрагменти, генерирани по време на изгарянето на хомополимер РР, са по-равномерни, концентрацията на свободните радикали е стабилна и ефективността на забавяне на горенето е силно предвидима. Въпреки това съставът на горивото, генериран от двустепенното разграждане на кополимеризиран РР, се променя с времето и концентрацията на свободните радикали варира, което може да доведе до несигурност в ефективността на забавяне на горенето. Поради това често е необходимо да се коригира съотношението на забавители на горенето към синергисти (като Sb₂O3).
2.2 Система за забавяне на горенето с кондензирана фаза (забавител на горенето от тип експанзия)
Разширените забавители на горенето (IFR) разчитат на образуването и разширяването на въглеродни слоеве. Високата кристалност на хомополимера РР не е благоприятна за образуването на непрекъснат и плътен въглероден слой, тъй като различното разграждане между кристалните и аморфните области може да доведе до пукнатини във въглеродния слой. По-високият дял на аморфните области в съполимеризирания РР осигурява по-равномерна матрица за образуването на въглеродни слоеве, което често води до по-високо качество и по-непрекъснати разширени въглеродни слоеве, показващи по-добра устойчивост на огън и топлоизолация.
Експерименталните данни показват, че при същото добавено количество (25%) фосфорен азот, разширяващ се забавител на горенето:
· Материал на основата на хомополимер PP: Тестът за вертикално горене UL94 обикновено достига ниво V-1, с граничен кислороден индекс (LOI) от около 26-28%
· Материал на основата на кополимер PP: UL94 често може да достигне клас V-0, LOI може да се увеличи до 29-32%
2.3 Система за минерално пълнене (алуминиев хидроксид, магнезиев хидроксид)
Ендотермичната реакция на дехидратация на минералните забавители на горенето трябва да бъде добре съгласувана с температурата на разграждане на полимера. Високата термична стабилност на хомополимер PP (първоначално разграждане от около 320 ℃) съвпада по-добре с магнезиев хидроксид (пик на дехидратация от около 340 ℃), отколкотоалуминиев хидроксид(пик на дехидратация от около 220 ℃). По-ниската температура на първи етап на разграждане на съвместно полимеризиран РР (която може да бъде толкова ниска, колкото 280 ℃) може да има по-добра синергия с температурата на дехидратация на алуминиевия хидроксид, но е необходим прецизен контрол, за да се предотврати загуба на механични свойства, причинена от преждевременно разграждане.
Съполимеризираният РР обикновено има по-нисък вискозитет на стопилка и по-силна якост на стопилка, което има двойно въздействие върху забавянето на горенето:
· Положителен ефект: По-лесно е да се образуват "капки" по време на горене, отнемайки топлината, но може да причини проблеми със запалването на капките при тестване UL94
· Отрицателни ефекти: По-силната якост на стопилка спомага за стабилизирането на разширения въглероден слой и предотвратява неговото разкъсване
Силата на топене на хомополимера РР е по-ниска и въглеродният слой е по-податлив на разкъсване поради вътрешно налягане, но тенденцията на капчици стопилка е по-ниска. В практическите формулировки тази разлика често изисква целенасочена корекция чрез добавяне на карбонизиращи агенти или модификатори на вискозитета.
Най-новите изследвания показват, че проектирането на специфични структури на съполимерна последователност чрез контролируема полимеризационна технология може допълнително да оптимизира ефективността на забавяне на горенето. Например, в блок съполимер PP, концентрирането на етиленови единици в специфични сегменти на молекулната верига може да създаде "жертвен сегмент", който преференциално разгражда и насърчава образуването на въглероден слой при предварително зададена температура, докато обогатеният с пропилен сегмент поддържа основните свойства на материала. Този „огнезащитен дизайн на молекулярно ниво“ представя посоката на развитие на PP огнезащитни материали.
Типът основен материал за полипропилен не е просто въпрос на избор на суровина, а по-скоро проектна променлива, която фундаментално влияе върхузабавител на горенетосвойства на материала. Разликите в молекулярната структура, поведението при термично разграждане и свойствата на стопилка между хомополимер РР и съполимер РР водят до много различни взаимодействия с различни системи за забавяне на горенето. При разработването на приложения за забавяне на горенето от висок клас е необходимо да се изостави мисленето за „универсална формула“ и да се съчетае и персонализира системата за забавяне на горенето въз основа на присъщите характеристики на основния материал. Разбирането на химическата природа на материалите, базирани на PP, е не само академично изискване, но и ключ към разработването на ефективни, икономични и екологични материали, забавящи горенето. С все по-строгите разпоредби за забавяне на горенето и нарастващото търсене на устойчиво развитие, тази усъвършенствана стратегия за проектиране, базирана на същността на материалите, ще става все по-важна.
