Алуминиев хидроксид(ATH, Al(OH)₃), като най-широко използваният и екологично чист неорганичен забавител на горенето без халоген в света, има пет основни предимства на забавяне на горенето, потискане на дим, пълнене, нетоксичност и ниска цена. Той се използва широко в области като епоксидна смола, ненаситена смола, PVC еластомер, EVA кабелен материал, гумен композитен материал, електронен уплътнителен материал и материал за декорация на сгради. На фона на все по-стриктните глобални екологични разпоредби и основната тенденция за забавители на горенето без халогени, алуминиевият хидроксид се превърна в предпочитаното решение за системи за забавяне на горенето от висок клас материали поради своите нелетливи, некорозивен и нетоксичен газ.
Най-основният и основен ефект на забавяне на горенето на алуминиевия хидроксид е ендотермичният ефект на термичното разлагане.
Когато напълненият полимерен материал се нагрее до диапазона от 200°C - 320°C, алуминиевият хидроксид претърпява пълна реакция на дехидратация, освобождавайки кристална вода и превръщайки се в активиран алуминиев оксид. Уравнението на реакцията е както следва:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O↑
Този процес има две ключови характеристики за забавяне на горенето:
1. Силен капацитет за поглъщане на топлина: Всеки грам разлагане на алуминиев хидроксид може да абсорбира 1050-1200 J топлина, което може бързо да абсорбира топлината от горенето на повърхността и вътрешността на материала, принуждавайки температурата на субстрата да бъде по-ниска от критичната температура на термично разлагане, като по този начин прекратява или забавя горенето.
2. Точен температурен праг: Температурата на разлагане е силно съвпадаща с температурата на термично разграждане на повечето термопластични материали и термореактивни смоли и механизмът за забавяне на горенето може да се активира незабавно, когато материалът навлезе в опасния температурен диапазон, постигайки ранна защита.
Просто разбиране: Алуминиевият хидроксид е като "охладителна система" вътре в материала, абсорбира голямо количество топлина в момента на запалване, което прави невъзможно материала да поддържа температурата на горене и потиска продължаването на горенето от корена.
По време на процеса на дехидратация и разлагане,алуминиев хидроксидосвобождава голямо количество високотемпературна водна пара, което е втората му ключова функция за забавяне на горенето.
Водните пари образуват газова бариера с висока плътност на повърхността на материала, постигайки троен ефект на забавяне на горенето:
1. Разреждане на горими газове: Горими газове като въглероден оксид, алкани и алкени, получени от термичното разлагане на материали, се разреждат силно от водна пара, намалявайки концентрацията им до под границата на горене.
2. Изолиране на кислород: Водната пара заема пространството на повърхността на горене, намалявайки дифузията на външен кислород в материала и създавайки слабо окислителна среда.
3. Намалете температурата на газовата фаза: Газификацията на водна пара допълнително абсорбира топлината, намалява температурата на пламъка и отслабва устойчивото топлинно излъчване на пламъка върху субстрата.
За разлика от халогенираните забавители на горенето, водната пара, отделяна от алуминиевия хидроксид, е нетоксична, некорозивна и неканцерогенна, напълно отговаряща на глобалните екологични стандарти като EU REACH, RoHS и US UL, което я прави основен представител на зелените системи за забавяне на горенето.
След дехидратиране на алуминиевия хидроксид, слой от бял, плътен, с висока точка на топене и незапалим активиран двуалуминиев оксид (Al₂O₃) ще се генерира на място върху повърхността на материала.
Алуминиевият оксид има точка на топене до 2050 ℃ и притежава силна термична стабилност и структурна здравина, служейки като тройна физическа бариера:
1. Изолирайте преноса на топлина: блокирайте външните пламъци от излъчване на топлина към вътрешния субстрат и предотвратете по-нататъшно термично разлагане на материала.
2. Блокирайте капенето на капки: Фиксирайте стопилката на полимера, за да предотвратите вторично изгаряне или разпространение на огън, причинено от капенето на капки.
3. Затворете горими газове: потиснете изтичането на вътрешни горими газове и прекъснете подаването на горящи вещества.
Този слой от двуалуминиев оксид няма да гори, пуши или да се счупи и е важна физическа основа за постигане на дълготрайно забавяне на горенето на алуминиевия хидроксид.
При действителни пожари гъстият дим и токсичните газове са основните фактори, причиняващи щети. Основното предимство на алуминиевия хидроксид в сравнение с други забавители на горенето е синхронното забавяне на горенето и силното потискане на дима.
Неговият механизъм за потискане на дима се отразява в три аспекта:
1. Нискотемпературно потискане на генерирането на дим и прах: абсорбиране на топлина и охлаждане предварително за намаляване на черния дим, катрана и токсичните частици, генерирани от високотемпературно напукване на материали.
2. Физическа адсорбция на частици дим от слой алуминий: Порестата повърхностна структура може да улови частици дим и да намали концентрацията на дим.
3. Без вторично замърсяване: не произвежда силно токсичен дим като водородни халиди и диоксини и отговаря на строгите изисквания за плътност на дима в области като строителство, транспорт, вътрешни материали и железопътен транспорт.
В приложения като епоксидна смола, SMC/BMC композитни материали, проводници и кабели, добавянето на алуминиев хидроксид може да намали плътността на дима (DS) на материала с повече от 60%, като значително подобрява пожарната безопасност.
Алуминиев хидроксидне действа самостоятелно и може да формира синергичен карбонизиращ ефект със смолистата матрица в системи с високо пълнене
1. Слоят от алуминиев оксид насърчава бързото образуване на стабилен въглероден слой върху повърхността на субстрата;
2. Топлинната абсорбция и дехидратацията ускоряват уплътняването на въглеродния слой, повишавайки неговия антиоксидантен капацитет;
3. Намалете времето за горене, направете материала самозагасващ се и незабавно спрете да горите след напускане на пламъка.
Този синергичен ефект позволява на алуминиевия хидроксид да показва ефективност на забавяне на горенето, която далеч надхвърля тази на обикновените неорганични пълнители в силно напълнени епоксидни смоли, ненаситени полиестери и еластомери.
Като се вземат предвид горните ефекти, алуминиевият хидроксид не постига забавяне на пламъка чрез един механизъм, а по-скоро чрез едновременната поява на четири функции: абсорбция на топлина и охлаждане, разреждане на газовата фаза, изолиране на твърдата фаза, потискане на дима и фиксиране на твърд въглерод, образувайки пълна триизмерна мрежа за забавяне на горенето:
1. Поглъщане на топлина: принудително охлаждане за предотвратяване на непрекъсната пиролиза на материали;
2. Изпускане на вода: разреден кислород и горими газове;
3. Образуване на обвивка: образуване на изолационен слой от алуминиев оксид;
4. Потискане на дима: Намалете токсичния дим и подобрете безопасността.
Това е и основната причина, поради която алуминиевият хидроксид може да се превърне в основен материал в глобалното поле за забавяне на горенето без халогени.
