أنواع مثبطات اللهب في البلاستيك PVC ومعايير تصنيف مثبطات اللهب وآليات العمل والتطبيقات

I. خصائص مثبطات اللهب وتحديات PVC

يحتوي PVC (كلوريد البوليفينيل) على ما يصل إلى 56% من الكلور بالوزن. عند حرقه، يطلق غاز كلوريد الهيدروجين (HCl) ويظهر بعض خصائص الإطفاء الذاتي (مؤشر الأكسجين الحدي، LOI ≈ 45%). ومع ذلك، توجد التحديات التالية في التطبيقات العملية:

1. PVC المرن: تؤدي إضافة الملدنات (مثل DOP وDINP) إلى تقليل خطاب النوايا (LOI) بشكل كبير (إلى أقل من 20%)، مما يتطلب إضافة مثبطات اللهب؛

2. الدخان والسمية: يؤدي الاحتراق إلى إطلاق حمض الهيدروكلوريك والديوكسينات والدخان الكثيف؛

3. الاستقرار الحراري: وهو عرضة للتحلل أثناء المعالجة بدرجة حرارة عالية، مما يتطلب الاستخدام التآزري للمثبتات الحرارية ومثبطات اللهب.

ثانيا. أنواع مثبطات اللهب في البلاستيك PVC

1. مثبطات اللهب المعتمدة على الهالوجين

• مثبطات اللهب المكلورة: مثل البارافين المكلور. تلك التي تحتوي على 50% من الكلور تستخدم في المقام الأول كمواد ملدنة مساعدة للبلاستيك PVC، في حين أن تلك التي تحتوي على 70% من الكلور تستخدم في المقام الأول كمثبطات للهب.

2. مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور

• مثبطات اللهب غير العضوية ذات الأساس الفوسفوري: مثل الفسفور الأحمر وفوسفات الأمونيوم (APP). يعتبر الفوسفور الأحمر فعالاً للغاية كمثبط للهب ولكن توافقه ضعيف مع الراتنجات ويتطلب تغليفًا دقيقًا.

• مثبطات اللهب العضوية ذات الأساس الفوسفوري: مثل استرات الفوسفات والفوسفافينانثرين. تعمل استرات الفوسفات كمثبطات للهب وملدنات وتستخدم بشكل شائع في PVC المرن.

3. مثبطات اللهب ذات الأساس النيتروجيني: مثل الميلامين وسيانورات الميلامين (MCA)، والتي غالبًا ما تستخدم مع مثبطات اللهب ذات الأساس الفوسفوري.

4. مثبطات اللهب غير العضوية: مثل ثلاثي هيدرات كبريتات الألومنيوم والنانو سيليكا.

ثالثا. شائعة الاستخدام مثبطات اللهب التآزرية

1. مثبطات اللهب ثالث أكسيد الأنتيمون: تستخدم عادةً مع مثبطات اللهب المهلجنة. خلال المرحلة الأولية من الاحتراق، يذوب ثالث أكسيد الأنتيمون أولاً، مما يشكل طبقة واقية على سطح مادة PVC التي تعزلها عن الهواء؛ فهو يخفض درجة حرارة الاحتراق من خلال تفاعل ماص للحرارة داخل المادة؛ في درجات حرارة عالية، يتبخر ثالث أكسيد الأنتيمون، مما يخفف تركيز الأكسجين في الهواء وبالتالي توفير تأثير مثبط للهب؛ عند استخدامه مع الكلوريدات الناتجة عن الاحتراق في PVC، فإن كلوريد الأنتيمون الناتج يلتقط الجذور الحرة في حالته الغازية، مما يساعد بشكل أكبر في تثبيط اللهب. على سبيل المثال، تؤدي إضافة ثالث أكسيد الأنتيمون إلى مركبات الكابلات البلاستيكية إلى زيادة مؤشر الأكسجين، مما يعزز خصائصها المقاومة للهب. إن ثالث أكسيد الأنتيمون الذي خضع لمعالجة خاصة لا يوفر تثبيط اللهب فحسب، بل يقلل أيضًا من انبعاث الدخان، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للاستخدام في مركبات الكابلات البلاستيكية .

2. هيدروكسيد الألومنيوم: يقلل من انبعاث الدخان من PVC ويحسن خصائصه المقاومة للهب. عندما تتحلل بالحرارة، فإنها تمتص كمية كبيرة من الحرارة، ويشكل أكسيد الألومنيوم الناتج طبقة واقية على سطح المادة، مما يعزلها عن الأكسجين والحرارة. وفي الوقت نفسه، يعمل بخار الماء الناتج أثناء التحلل على تخفيف تركيزات الغازات القابلة للاشتعال والأكسجين.

3. هيدروكسيد المغنيسيوم: يتحلل لينتج أكسيد المغنيسيوم والماء، مما يوفر إخمادًا جيدًا للدخان. مع انخفاض حجم الجسيمات، يزيد مؤشر الأكسجين للـ PVC، بينما ينخفض ​​الحد الأقصى لمعدل إطلاق الدخان ومعدل كثافة الدخان. علاوة على ذلك، فإن له تأثيرًا ضئيلًا على الخواص الميكانيكية للـ PVC ويمكنه تلبية متطلبات تطبيق معينة.

4. الفسفور الأحمر: عادة ما يتم استخدام الفوسفور الأحمر المغلف بشكل دقيق ، مما يوفر مزايا مثل مستويات الإضافة المنخفضة، والكفاءة العالية في تثبيط اللهب، وانخفاض انبعاث الدخان، وانخفاض السمية. عند حرقه، فإنه يشكل حمض الميتافوسفيك، الذي يتبلمر بعد ذلك إلى مرحلة بوليمرية مستقرة، مما يخلق طبقة واقية على البلاستيك تعزله عن الأكسجين. وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا مزج الفوسفور الأحمر مع مثبطات اللهب غير العضوية الأخرى لتقليل كمية مثبطات اللهب المطلوبة وتحسين المعالجة والخواص الفيزيائية والميكانيكية للـ PVC.

5. مثبطات اللهب القائمة على السيليكون: تستخدم هذه المنتجات السيليكون العضوي والبورون العضوي كحاملات ومخلبة لمجموعات وظيفية مختلفة. عند استخدامها مع أنظمة مثبطات اللهب المختلفة، فإنها تشكل غازات جزيئية صغيرة تعزل الأكسجين أثناء الاحتراق، وتخفف الغازات القابلة للاشتعال، وتمتص الحرارة لخفض درجة الحرارة. وهذا يعزز الكربنة وتكوين طبقة البوليمر بعد الاحتراق، مما يعزز فعالية مثبطات اللهب ويمنع تقطير الذوبان. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تعمل على تحسين توافق الطور بين المكونات المختلفة ومصفوفة البوليمر في المواد المركبة، وبالتالي تعزيز الخواص الميكانيكية للمادة.

6. ذات الأساس النيتروجيني مثبطات اللهب : ومن الأمثلة عليها التريازينات ومشتقاتها، وكذلك الميلامين. في حين أن فعاليتها محدودة عند استخدامها بمفردها، فإنها تنتج تأثيرًا تآزريًا عند دمجها مع مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور. يمكن لمثبطات اللهب المركبة، مثل تلك المكونة من الميلامين والفوسفات، تحسين مثبطات اللهب للـ PVC.

رابعا. معايير تصنيف تثبيط اللهب للبلاستيك PVC

تتضمن المعايير الشائعة معيار UL 94، والذي ينقسم إلى تصنيفات V-0، وV-1، وV-2، وHB. يحتوي تصنيف V-0 على أعلى المتطلبات: يجب أن تنطفئ عينة الاختبار ذاتيًا خلال 10 ثوانٍ دون أي مادة متساقطة تشعل الوبر أو مواد مماثلة؛ تصنيف HB لديه أدنى المتطلبات ويعتمد على اختبار الاحتراق الأفقي، مع تحديد التصنيف حسب معدل الاحتراق.

V. آلية عمل مثبطات اللهب

1. امتصاص الحرارة: تخضع مثبطات اللهب لتفاعل ماص للحرارة عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة سطح المادة القابلة للاحتراق وتقليل توليد الغازات القابلة للاشتعال، وبالتالي قمع الاحتراق.

2. تأثير الطلاء: أثناء الاحتراق، تشكل مثبطات اللهب طبقة صلبة أو سائلة تعزل المادة عن الأكسجين وتمنع الاحتراق.

3. تثبيط التفاعلات المتسلسلة: تتفاعل أيونات الهاليد الناتجة عن تحلل مركبات الهالوجين مع الجذور الحرة أثناء الاحتراق، مما يقلل من تركيز الجذور الحرة وبالتالي يبطئ معدل الاحتراق.

4. الاختناق بالغازات غير القابلة للاشتعال: على سبيل المثال، تتحلل مثبطات اللهب ذات الأساس النيتروجيني لتنتج غازات غير قابلة للاشتعال، مما يؤدي إلى تخفيف الغازات القابلة للاشتعال وتقليل معدل الاحتراق.

5. تأثير التفحم: تنتج مثبطات اللهب ذات الأساس الفوسفوري حمض الفوسفوريك، وحمض الميتافوسفوريك، ومركبات أخرى أثناء الاحتراق، مما يعزز التفحم على سطح البلاستيك وتشكيل طبقة شار التي تعزل ضد الحرارة وتحجب الأكسجين.

سادسا. تطبيقات مثبطات اللهب

1. مقاطع PVC-U: في مقاطع PVC-U، تعمل إضافة استرات فوسفات الكلورامين على تحسين تثبيط اللهب بشكل كبير، في حين يمكن أيضًا استخدام مثبطات اللهب غير العضوية مثل نانو السيليكا وثلاثي هيدرات كبريتات الألومنيوم لتعزيز العزل الحراري والاستقرار الحراري.

2. مركبات الكابلات PVC: تُستخدم مثبطات اللهب مثل البارافينات المكلورة واسترات الفوسفات بشكل شائع لتحسين مثبطات اللهب ومقاومة الحرارة للكابلات.

3. الأنابيب البلاستيكية: في الأنابيب البلاستيكية المستخدمة في البناء، يمكن لمثبطات اللهب غير العضوية مثل السيليكا النانوية أن تمنع انتشار اللهب أثناء الاحتراق بشكل فعال.

سابعا. تحليل دراسات الحالة الكلاسيكية

1. تعديل مثبطات اللهب لمركبات الكابلات PVC: من خلال إضافة كمية مناسبة من البارافين المكلور ومزيج الفوسفور الأحمر FRP-950X الخاص بشركة Yinsu Flame Retardant - بتركيز 2% - إلى مركبات الكابلات PVC، تم تحسين أداء مثبطات اللهب للكابلات بشكل كبير، مما يمكنها من تلبية تصنيف UL 94 V0 واستبدال ثالث أكسيد الأنتيمون بالكامل. من خلال هذا التعديل، يتم تقليل الحرارة المتولدة وكثافة الدخان الناتج أثناء احتراق الكابل، مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية الجيدة.

2. تطبيقات مثبطات اللهب لمقاطع PVC-U: في مقاطع PVC-U المستخدمة في البناء، تتم إضافة فوسفات الكلورامين ونانو السيليكا. أثناء الاحتراق، يطلق فوسفات الكلورامين غازات النيتروجين والكلور، مما يشكل طبقة شار تمنع انتشار الحريق؛ تمنع مادة السيليكا النانوية، بخصائصها الجزيئية الدقيقة، انتشار اللهب وتوصيل الحرارة. يعمل هذا النظام المركب لمثبطات اللهب على تحسين أداء مثبطات اللهب لمقاطع PVC-U بشكل كبير، مما يجعلها أكثر أمانًا للاستخدام في تطبيقات البناء.

كما هو موضح في التحليل أعلاه، يجب أن تأخذ مثبطات اللهب في PVC في الاعتبار خصائصها المتأصلة (محتوى الكلور العالي، وحساسية المعالجة) وتحقيق كفاءة عالية، وسمية منخفضة، وتكلفة منخفضة من خلال الاستخدام التآزري لمزائج مثبطات اللهب (مثل مثبطات الدخان من هيدروكسيد الفوسفور والمعدن). إن استخدام مثبطات اللهب في البلاستيك PVC له أهمية كبيرة، لأنه لا يعزز سلامة المادة من الحرائق فحسب، بل يحافظ أيضًا على خصائصها الفيزيائية والميكانيكية الممتازة.