В технологичния път на забавяне на горенето на полимерни материали неорганичните пълнители за забавяне на горенето се превърнаха в основен избор за замяна на традиционните халогенирани забавители на горенето поради техните изключителни предимства като екологичност, нисък дим и ниска токсичност и висока термична стабилност. Въпреки това, когато се сблъскате с различни видове пълнители катоалуминиев хидроксид, магнезиев хидроксид, разширяващ се графит,цинков борати т.н., как да се правят точни избори въз основа на научни принципи и специфични нужди е основният проблем в изследванията на материалите и инженерните приложения. Тази статия ще започне от механизма за забавяне на горенето и систематично ще анализира ключовите академични параметри и елементи на практическо приложение, които трябва да се вземат предвид при избора на неорганични пълнители за забавяне на горенето.
Неорганичните огнезащитни пълнители не действат чрез една единствена реакция на химическо прекъсване, а по-скоро чрез многомеханичен синергичен физикохимичен процес, обхващащ главно следните аспекти:
1. Ендотермично разлагане и охлаждащи ефекти: Алуминиевият хидроксид (ATH, температура на разлагане от около 180-200 ℃) и магнезиевият хидроксид (MDH, температура на разлагане от около 330-350 ℃) претърпяват ендотермични реакции на разлагане при нагряване ATH: 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O；MDH: Mg(OH)₂ → MgO + H₂O), абсорбиране на голямо количество топлина, намаляване на температурата на полимерната матрица и освобождаване на водна пара за разреждане на горими газове и кислород в газова фаза.
2. Бариерен изолационен ефект: Металните оксиди (като Al₂O₃、MgO), генерирани след разлагането, образуват плътен и стабилен остатъчен въглероден слой, покриващ повърхността на материала, ефективно изолиращ преноса на топлина, дифузията на кислород и изпаряването на горими вещества.
3. Разреждане на газовата фаза и улавяне на свободните радикали: Негоримите газове като водна пара и въглероден диоксид, получени при разлагане, разреждат концентрацията на свободни радикали и горими газове в зоната на пламъка. Частичните пълнители или техните продукти на разлагане могат да уловят H · и OH · радикали, които насърчават реакциите на горене.
4. Каталитична карбонизация и омрежване: Някои модифицирани метални хидроксиди, цинков борат и др. могат да насърчат реакциите на дехидратация и омрежване на полимери по време на горене, образувайки повече и по-стабилни разширени въглеродни слоеве и подобрявайки ефективността на бариерата.
Процесът на подбор трябва да се основава на кръстосан анализ на следните многомерни параметри:
·Температура на разлагане: Това е основният критерий за избор. Нискотемпературното разлагане на ATH е подходящо за обработка на полимери с по-ниски температури (като PVC, EPDM и някои гуми), за да се избегне преждевременното разлагане и генерирането на мехурчета по време на обработката. По-високата температура на разлагане на MDH се съчетава с полимери с по-високи температури на обработка като PP, PE, PA, EVA и др.
· Топлинна абсорбция: Колкото по-голяма е топлината, абсорбирана по време на разлагането на единица маса пълнител, толкова по-значителен е неговият охлаждащ ефект. Теоретичната топлинна абсорбция на ATH е около 1,17 kJ/g, а тази на MDH е около 1,44 kJ/g.
· Кристална структура и морфология: Пълнители със специална морфология (като люспи или влакна) могат да бъдат по-благоприятни за образуване на физическа бариерна мрежа в материала. Високата чистота и правилната кристална структура обикновено осигуряват по-стабилна топлинна ефективност.
·Система за съвместно смесване: Приемането на технология за смесване е важна посока за намаляване на количеството добавен единичен пълнител и подобряване на цялостната производителност. Например:
·ATH/MDH комплекс: Разширете обхвата на температурата на абсорбция на топлина.
·Съединение със забавители на горенето на основата на фосфор и азот: произвежда синергични ефекти на множество елементи като фосфорен азотен метал, насърчавайки образуването на по-здрав експандиран въглероден слой.
·Съединение с въглеродни нанотръби, слоести силикати (монтморилонит) и др.: за изграждане на по-пълна физическа бариерна мрежа.
· Механични свойства: Оценете ефекта на пълнителите върху якостта на опън, модула на огъване, якостта на удар и удължението при скъсване. Добрата модификация на повърхността и подходящият размер на частиците могат да помогнат за намаляване на отрицателните въздействия.
· Електрически характеристики: За приложения като жици и кабели трябва да се обърне внимание на влиянието на пълнителите върху обемното съпротивление и диелектричните свойства.
·Ефективност на обработка: Високото съдържание на пълнеж ще увеличи значително вискозитета на стопилката, засягайки процеси като екструдиране и леене под налягане. Неговото въздействие върху прозореца за обработка и ефективността на производството трябва да бъде оценено.
|
Тип пълнител |
Основни химически компоненти |
Температурен диапазон на разлагане |
Основен механизъм за забавяне на горенето |
Предимство |
Недостатъци/Предизвикателства |
Типични приложими полимери |
|
Алуминиев хидроксид (ATH) |
Al(OH)3 |
~180-200°C |
Ендотермично разлагане, разреждане в газова фаза, бариера |
Ниска цена, добро потискане на дима, екологично чисти и нетоксичен |
Ниска температура на разлагане, слаба топлоустойчивост, високо добавено количество |
PVC, каучук, епоксидна смола, полиестер |
|
Магнезиев хидроксид (MDH) |
(MDH) Mg(OH)2 |
~330-350°C |
Ендотермично разлагане, разреждане в газова фаза, бариера |
Висока температура на разлагане, силно потискане на дима, екологично чист |
Относително висока цена на ATH, голямо добавено количество, чувствителен към кисела среда |
PP，PE，EVA，PA，PET
|
|
Разширяем графит (EG) |
Интеркалиран графит |
~200-300°C（разширяване） |
Топлината се разширява, за да образува въглероден слой, подобен на червей, осигуряващ изолация и кислородна бариера |
Ефективна бариера за разширяване, ниска плътност, малко дим |
Дълбок цвят, висока проводимост, значително влияние върху механичните свойства, изискващи повърхностна обработка |
Полиуретанова пяна, полиолефин, покритие |
|
Цинков борат (ZB) |
xZnO·yB2O3·zH2O |
300°C（дехидратация） |
Насърчава карбонизацията, образува стъклена бариера и улавя свободните радикали |
Многофункционален синергист, потискане на дим, потискане на тлеене, ниска токсичност |
Ефективността на забавяне на горенето е ограничена, когато се използва самостоятелно и често се използва като синергичен агент |
Съединение с ATH/MDH, халогенирани/безхалогенни системи |
|
Микрокапсулиран червен фосфор |
P (покриващ слой) |
300°C（Освобождаване на фосфор） |
Улавянето на свободните радикали в газовата фаза насърчава карбонизацията в твърда фаза |
Висока ефективност на забавяне на горенето, относително ниско количество на добавяне |
Цветен (наситено червен), хигроскопичен, неправилното боравене създава риск от фосфин, изисква се строго покритие |
PA，PBT，епоксидна смола |
1. Изяснете сценариите и стандартите за приложение: Първо, определете средата на използване на крайния продукт (температура, влажност, устойчивост на атмосферни влияния), стандартите за забавяне на горенето, които трябва да бъдат изпълнени (UL94, LOI, GB8624 и т.н.) и основните изисквания за ефективност, различни от забавяне на горенето (механика, електричество, прозрачност и т.н.).
2. Съответствие на характеристиките на матричния полимер: Въз основа на температурата на обработка, химическата полярност и термичната стабилност на полимера, предварително отсейте видовете пълнители, които могат да имат добро съвпадение на температурата на разлагане и съвместимост.
3. Проектиране на стратегия за модифициране на повърхността: Изберете подходящи свързващи агенти или агенти за повърхностна обработка за избрания пълнител и полимерна система, за да подобрите междинната съвместимост.
Изборът на неорганични огнезащитни пълнители е систематичен инженерен процес, който търси оптимални решения при множество ограничения и няма такова нещо като "универсален" пълнител. Идеалният избор трябва да се основава на задълбочено разбиране на веригата от петизмерни връзки на "характеристики на пълнителя, механизъм за забавяне на горенето, свойства на полимера, условия на процеса, изисквания за изпълнение". В бъдеще, с по-нататъшното развитие на нанотехнологиите, повърхностното инженерство, теорията на сътрудничеството и компютърните симулации (като скрининг с помощта на молекулярна динамика), изборът на неорганични огнезащитни пълнители ще се развие към по-прецизни, ефективни и функционално интегрирани посоки. За персонала, занимаващ се с научноизследователска и развойна дейност, непрекъснатото проследяване на авангарда на науката за материалите и комбинирането му със систематична експериментална проверка е фундаментално за вземане на най-добрите технически решения.
