بحث حول تقنية تثبيط اللهب وإخماد الدخان في مادة البولي فينيل كلورايد (PVC)

بحث حول تقنية تثبيط اللهب وإخماد الدخان في مادة البولي فينيل كلورايد (PVC)

يمتلك راتينج البولي فينيل كلورايد (PVC) العديد من الخصائص الممتازة، مثل قابلية المعالجة الجيدة، والعزل الممتاز، والتكلفة المنخفضة، والتعديل السهل، ومقاومة التآكل والتآكل، والخصائص الميكانيكية الشاملة الجيدة، وعمر الخدمة الطويل. يتم استخدامه على نطاق واسع في مختلف المجالات بما في ذلك الصناعة والزراعة والنقل والبناء والاتصالات والرعاية الصحية. راتينج PVC نفسه مثبط للغاية للهب وإطفاء ذاتي. تتمتع منتجات PVC التي لا تحتوي على مواد ملدنة بمثبطات جيدة للهب، حيث يصل محتوى الكلور إلى 56% ومؤشر الأكسجين المحدود (LOI) يصل إلى 50، مما يجعلها مادة مثبطة للهب ممتازة. ومع ذلك، أثناء المعالجة والاستخدام، غالبًا ما يتم دمج كميات كبيرة من الملدنات لتحسين مرونة المنتجات ومتانتها. لسوء الحظ، فإن دمج كميات كبيرة من الملدنات يقلل بشكل كبير من تثبيط اللهب، مما يتسبب في فقدان PVC لخصائص الإطفاء الذاتي ويصبح مادة قابلة للاحتراق. علاوة على ذلك، فإن كلاً من مادة PVC الصلبة والمرنة تولد كميات كبيرة من الدخان أثناء الاحتراق. يحتوي هذا الدخان الكثيف على العديد من الغازات السامة والضارة مثل أول أكسيد الكربون ومركبات البنزين وكلوريد الهيدروجين وغيرها، مما يسبب الاختناق ويقلل من القدرة على التمييز الشامل، مما يعيق في النهاية القدرة على تحديد واختيار طرق الهروب. وهذا يخلق تلوثًا بيئيًا ويهدد حياة الإنسان وسلامة الممتلكات ويشكل خطرًا كبيرًا على الحرائق. وتشير الإحصائيات إلى أن 82.5% من وفيات الحرائق ناجمة عن الاختناق بالغازات السامة الناتجة عن الاحتراق. لذلك، فإن تعزيز الأبحاث حول مثبطات اللهب وإخماد الدخان في مادة PVC يحمل أهمية عملية كبيرة.

I. آلية توليد الدخان من كلوريد البوليفينيل
المنتجات الرئيسية المتولدة بعد الانحلال الحراري للبوليمرات العطرية تشمل حمض الهيدروكلوريك، والبوليينات، والبنزين، والمركبات العطرية، والأوليفينات ذات الوزن الجزيئي المنخفض، والألكانات. تتحلل هذه المنتجات أيضًا لإنتاج كميات كبيرة من الدخان الأسود. أثناء احتراق PVC، يتم التخلص من حمض الهيدروكلوريك، مما يشكل هيدروكربونات غير مشبعة مترابطة مزدوجة. بسبب انقسام سلسلة الكربون، يتم إنتاج منتجات ذات وزن جزيئي منخفض وجذور حرة. تشكل إعادة الترتيب الجزيئي والتدوير نوى البنزين، والتي تتبلمر بشكل أكبر إلى راتينج ببنية حلقة عطرية مكثفة. ونتيجة لذلك، ينتج PVC دخانًا أسودًا كبيرًا أثناء الاحتراق. خاصة عندما يتم دمج كميات كبيرة من الملدنات في PVC، تشارك جزيئات الملدنات في التفاعلات الكيميائية عالية الحرارة للمنتجات الوسيطة، مما يولد كميات وفيرة من الدخان الأسود أثناء الاحتراق، مما يزيد بشكل كبير من إنتاج الدخان الناتج عن حرق PVC.

ثانيا. مناقشة حول آلية إخماد الدخان في PVC
يمكن تقسيم عملية احتراق منتجات PVC إلى ثلاث مراحل: تحلل المنتج عند التسخين لإنتاج غازات قابلة للاحتراق، واحتراق هذه الغازات في بيئة تحتوي على الأكسجين، والحرارة المتولدة التي تدعم احتراق المواد المنصهرة أو الصلبة. ولذلك، يمكن تحقيق تثبيط اللهب عن طريق مقاطعة واحدة أو أكثر من هذه المراحل من خلال آليات مثل تثبيط اللهب في الطور المكثف، وتثبيط اللهب في الطور الغازي، وإيقاف التبادل الحراري، وتثبيط اللهب المنتفخ. تشتمل مثبطات اللهب في الطور المكثف على مثبطات تعمل على تأخير أو منع التحلل الحراري في الطور الصلب. تتضمن مثبطات اللهب في الطور الغازي مثبطات تعمل على تأخير أو مقاطعة تفاعل الاحتراق المتسلسل في الطور الغازي. يتضمن انقطاع التبادل الحراري مثبطات تعمل على إزالة جزء من الحرارة المتولدة أثناء احتراق PVC، مما يقلل الحرارة التي تمتصها المادة إلى ما دون درجة حرارة تحللها، وبالتالي تقليل توليد الغاز القابل للاشتعال والتسبب في الإطفاء الذاتي. تجمع مثبطات اللهب المنتفخة بين آليات الطور المكثف والطور الغازي، مع حدوث تفاعلات في المقام الأول في الطور المكثف ولكنها تشتمل أيضًا على الطور الغازي.

ثالثا. طرق تثبيط اللهب PVC وإخماد الدخان

1. استخدام الملدنات المقاومة للهب بدلاً من الملدنات التقليدية

إن إضافة الملدنات القابلة للاشتعال شائعة الاستخدام للـ PVC، مثل ثنائي أوكتيل فثالات (DOP)، يقلل من مؤشر الأكسجين للـ PVC. ولذلك، فإن استبدال الملدنات التقليدية القابلة للاشتعال جزئيًا أو كليًا بمواد ملدنة مثبطة للهب شائعة الاستخدام في PVC المرن، مثل فوسفات ثلاثي الأريل وفوسفات ألكيل ثنائي الأريل، يعد إحدى طرق تحسين مثبطات اللهب لمنتجات PVC الملدنة. ومع ذلك، لتحقيق تأثيرات أفضل لمثبطات اللهب، يتم استخدام الفوسفات بشكل عام مع مثبطات اللهب الأخرى، مما يؤدي إلى الاستفادة من التأثيرات التآزرية لتحسين الأداء.

2. استخدام المضافات غير العضوية

تعد المضافات غير العضوية من بين مثبطات اللهب ومثبطات الدخان الأكثر بحثًا وتطبيقًا في السنوات الأخيرة. تشمل تلك المطبقة على PVC بشكل أساسي المعادن الانتقالية وأكاسيدها وأملاحها وما إلى ذلك، مثل النحاس والموليبدينوم والحديد والقصدير والزنك ومركبات الرصاص.

تشمل الأنظمة الرئيسية ما يلي:

• نظام المغنيسيوم والألومنيوم والبورون: Al(OH)₃ وMg(OH)₂ هي مثبطات اللهب الأكثر استخدامًا على مستوى العالم.

• أنظمة الأنتيمون-البزموت والسيليكون-القصدير: مثبطات اللهب المعتمدة على الأنتيمون هي خيارات تقليدية. غالبًا ما تستخدم مركبات السيليكون والقصدير كمواد مانعة للدخان للـ PVC مع مثبطات اللهب الأخرى.

• نظام النحاس والزنك: أظهرت الأبحاث المكثفة أن مركبات النحاس هي مواد فعالة للغاية في تثبيط الدخان. توفر مركبات نظام النحاس والزنك مزايا مثل كفاءة مثبطات اللهب العالية، والسمية المنخفضة، والتكلفة المنخفضة نسبيًا، مما يجعل هذا أحد أنظمة مثبطات اللهب الأسرع تطورًا.

• نظام الحديد والكوبالت والنيكل: تشتمل مركبات الحديد بشكل أساسي على Fe₂O₃ وFe₃O₄ وFe₂O₃·H₂O وFeSO₄، وتشمل مركبات الكوبالت Co(acac)₂ (أسيتيل أسيتونات الكوبالت) وCoCO₃، وتشمل مركبات النيكل NiO وNi(acac)₂ وNiC₂O₄.

• نظام الموليبدينوم-التنغستن-المنغنيز: مركبات الموليبدينوم هي في الأساس أملاحها وأكاسيدها غير العضوية، مع كون MoO₃ (ثالث أكسيد الموليبدينوم) هو السائد في حالته السداسية التكافؤ. تشمل مركبات المنغنيز MnCO₃، Mn₂O₃، MnSO₄.

• نظام التيتانيوم-الزركونيوم-الفاناديوم: TiO₂، Zr(acac)₄ (أسيتيل أسيتونات الزركونيوم)، وVO(acac)₂ (فاناديل أسيتيلسيتونات) يُظهر تأثيرات جيدة في إخماد الدخان.

3. استخدام تقنية التشابك

تعد تقنية Crosslinking طريقة جديدة نسبيًا تم تطبيقها على مثبطات اللهب PVC في السنوات الأخيرة. يمكن لطرق مثل الإشعاع أو إضافة أكاسيد فلزية أو إضافة بيروكسيدات أن تؤدي إلى تشابك البوليمرات. يعد التأثير التآزري لمثبطات اللهب للربط المتشابك على PVC المرن مفيدًا بشكل خاص من الناحية العملية. يحظى تحسين كفاءة مثبطات اللهب للأنظمة غير العضوية من خلال تقنية التشابك باهتمام متزايد ويمثل مجالًا جديدًا يحتمل أن يكون عالي النمو في أبحاث مثبطات اللهب.

باختصار، PVC عرضة لتوليد كميات كبيرة من الدخان الأسود والغازات السامة أثناء الاحتراق، مما يشكل مخاطر كبيرة على السلامة. إن استخدام طرق مثل الملدنات المثبطة للهب، وإدخال إضافات غير عضوية مثل النحاس والزنك، وتعديل التشابك يمكن أن يعزز بشكل فعال خصائص تثبيط اللهب وإخماد الدخان. يعد الجمع بين آليات مثبطات اللهب المتعددة للحصول على تأثيرات تآزرية أمرًا أساسيًا لتحسين سلامة PVC، مما يحمل أهمية كبيرة لحماية حياة الإنسان والبيئة.

في هذا المجال، قوانغتشو Yinsu Flame Retardant مكرسة باستمرار لتطوير حلول مثبطات اللهب الفعالة والصديقة للبيئة. يشتمل منتجهم على سلسلة T، ومركب الأنتيمون واستبدال ATO T30 ، والذي يمكن أن يحل محل 50%-60%. توفر هذه الابتكارات خيارات قيمة لتعزيز تثبيط اللهب وقمع الدخان للمواد البلاستيكية مع معالجة اعتبارات التكلفة والبيئة.