So sprísňovaním globálnych environmentálnych predpisov a prehlbovaním koncepcií trvalo udržateľného rozvoja,bezhalogénové spomaľovače horeniasa stali hlavnou voľbou pre modifikáciu polymérnych materiálov spomaľujúcich horenie. V porovnaní s tradičnými halogénovými retardérmi horenia produkujú bezhalogénové systémy počas spaľovania menej dymu a korozívnych plynov a neprodukujú toxické látky podobné dioxínom. Avšak rôzne bezhalogénové spomaľovače horenia, ako je fosfor, dusík, hydroxidy kovov a expanzný typ, majú na trhu rôzne vlastnosti. Ako si vedecky vybrať na základe materiálových systémov a aplikačných scenárov sa stalo kľúčovým problémom, ktorému technici čelia. Tento článok bude analyzovať logiku výberu bezhalogénových retardérov horenia z viacerých dimenzií.
Bezhalogénové spomaľovače horenia fungujú hlavne dvoma spôsobmi: spomaľovače horenia v plynnej fáze sa rozkladajú a vytvárajú nehorľavé plyny (ako je dusík a vodná para), ktoré riedia kyslík a horľavé plyny; Spomalovač horenia v kondenzovanej fáze vytvára na povrchu materiálu uhlíkovú vrstvu, ktorá izoluje prenos tepla a kyslíka. Spomaľovače horenia na báze fosforu (ako sú fosfátové estery a polyfosforečnan amónny) pôsobia hlavne v kondenzovanej fáze, zatiaľ čo retardéry horenia na báze dusíka (ako je melamín a jeho deriváty) pôsobia viac v plynnej fáze. Pochopenie tohto základného rozdielu je prvým krokom pri výbere.
Jediný spomaľovač horenia často nedokáže dosiahnuť požadovaný účinok. Synergický systém fosforu a dusíka je najklasickejšou kombináciou, v ktorej sa polyfosforečnan amónny (zdroj kyseliny) používa v kombinácii s melamínom (zdroj plynu) na vytvorenie hustej vrstvy expandovaného uhlíka, čo výrazne zlepšuje účinnosť spomaľovania horenia. Hydroxidy kovov (hydroxid hlinitý, hydroxid horečnatý) vyžadujú veľké množstvo pridania (zvyčajne 50 – 60 %), ale ak sa skombinujú s malým množstvom synergistov, ako je organokremičitý a boritan zinočnatý, množstvo pridávania sa môže znížiť a mechanické vlastnosti sa môžu zlepšiť.
Polárne polyméry (ako PA a PBT) majú dobrú kompatibilitu s polárnymi retardérmi horenia (ako je fosfor) a možno ich kombinovať pomocou chemických alebo vodíkových väzieb s rovnomernou disperziou a minimálnym vplyvom na mechanické vlastnosti. Nepolárne polyolefíny (PP, PE) sú vhodnejšie na použitie povrchovo modifikovaných hydroxidov kovov alebo mikroenkapsulovaných retardérov horenia na zlepšenie medzifázovej väzby.
Tepelná stabilita je kľúčovým technickým ukazovateľom.Hydroxid hlinitýsa začína rozkladať nad 200 ℃, preto nie je vhodný na spracovanie technických plastov s teplotami nad 200 ℃. Pre materiály ako PBT a PA6 s teplotami spracovania medzi 240-280 ℃ by sa mali zvoliť spomaľovače horenia na báze fosforu s vysokou tepelnou stabilitou (ako sú hypofosfáty) alebo hydroxid horečnatý s povrchovou úpravou.
Transparentné produkty (ako PC, PMMA) si musia zvoliť retardéry horenia s indexom lomu. Organické silikónové retardéry horenia majú relatívne malý vplyv na transparentnosť, zatiaľ čo hydroxidy kovov môžu spôsobiť silnú atomizáciu. Kontrola veľkosti častíc je rozhodujúca a disperzie spomaľujúce horenie na submikrónovej úrovni môžu minimalizovať rozptyl svetla v čo najväčšej miere.
Hlavnými metódami hodnotenia sú Limiting Oxygen Index (LOI) a kužeľový kalorimetrický test. Čím vyššia je hodnota LOI, tým ťažšie je materiál horieť na vzduchu (vo všeobecnosti sa za retardér horenia >28 %). Kužeľový kalorimeter môže získať kinetické parametre, ako je maximálna rýchlosť uvoľňovania tepla (pHRR) a celková rýchlosť uvoľňovania tepla (THR), čo vedecky odráža výkon v skutočných scenároch požiaru.
Pridanie retardérov horenia nevyhnutne ovplyvňuje mechanické vlastnosti. Techniky povrchovej modifikácie, ako sú silánové spojovacie činidlá a úprava esterom titánovej kyseliny, môžu zlepšiť medzifázovú väzbu; Optimalizácia veľkosti častíc (optimálna je 1-5 μm) a kontrola morfológie (listovitý hydroxid horečnatý je lepší ako kubický) môže znížiť body koncentrácie napätia. Na optimalizáciu pomeru retardérov horenia, spevňujúcich činidiel a mazív navrhnite použitie experimentálnych návrhov, ako je metóda Taguchi.
Kľúčom k praktickej aplikácii je miera zachovania retardácie horenia po starnutí mokrým teplom (85 ℃/85 % RH) a starnutí UV žiarením. Niektoré retardéry horenia na báze fosfátových esterov predstavujú riziko hydrolýzy a vyžadujú mikroenkapsuláciu alebo modifikáciu molekulárnej štruktúry (zavedenie aromatických kruhov) na zvýšenie trvanlivosti.
Vrstvené podvojné hydroxidy (LDH), montmorillonit a iné nanomateriály môžu výrazne znížiť rýchlosť uvoľňovania tepla, keď sa pridajú v množstve 3-5 %, a majú malý vplyv na mechanické vlastnosti, ale je potrebné vyriešiť problém disperzie. Uhlíkové nanorúrky/grafén môžu tvoriť trojrozmernú sieťovú uhlíkovú vrstvu, čo je nový smer pre účinné potláčanie dymu a spomaľovanie horenia.
Spomaľovače horenia odvodené z biomasy, ako je kyselina fytová, škrob a lignín, sa postupne stávajú praktickými. Tieto materiály majú vysoký obsah uhlíka, dobré karbonizačné vlastnosti a sú v súlade s koncepciou obehového hospodárstva. Aj keď je ešte potrebné zlepšiť efektivitu, začali sa uplatňovať v oblastiach s extrémne vysokými požiadavkami na životné prostredie.
S rozvojom technológie simulácie materiálov (molekulárna dynamika, predikcia strojového učenia) sa výber retardérov horenia posúva od empirického pokusu a omylu k racionálnemu návrhu. V budúcnosti sa inteligentné systémy spomaľujúce horenie, ktoré kombinujú vysokú účinnosť, nízku toxicitu a viaceré funkcie (potlačenie dymu, zabránenie odkvapkávaniu a zlepšenie), stanú stredobodom výskumu a vývoja a hlboké pochopenie interakcie medzi materiálmi, retardérmi horenia a procesmi bude vždy základným technologickým kameňom pre výber najlepších možností.
