تصنيف واختيار مثبطات اللهب والدخان البوليمرية

تصنيف واختيار مثبطات اللهب والدخان البوليمرية

في العديد من الحرائق، لا يموت عدد كبير من الأشخاص بسبب درجات الحرارة المرتفعة. وبدلا من ذلك، يموت معظمهم بسبب التسمم أو الاختناق الناجم عن الحرمان من الأكسجين، نتيجة انطلاق الغازات السامة والضارة من المواد القابلة للاحتراق أثناء عملية الاحتراق.

ولذلك، فإن تطوير أنواع جديدة من المواد غير السامة وغير الضارة ومثبطات اللهب ذات خصائص مثبطات اللهب الجيدة، والتي لا تنتج أو تنتج عددًا أقل من الدخان السام والضار أثناء الاحتراق، أصبح اتجاهًا بحثيًا رئيسيًا في المجال الحالي. من مثبطات اللهب.

في الوقت الحاضر، النهج الرئيسي لمعالجة مسألة الدخان الزائد والغبار في الحرائق هو إضافة مثبطات الدخان مثل أكاسيد المعادن الانتقالية، ومركبات المغنيسيوم والزنك، وهيدروكسيدات المعادن، وأكسيد القصدير، والفيروسين، وأكسيد النحاس.

إن تطوير مثبطات الدخان الجديدة والمواد المثبطة للهب التي لا تنتج غازات سامة وضارة أثناء الاحتراق هو الاتجاه لأبحاث المواد المثبطة للهب في المستقبل.

أنا. تكوين الدخان

يشير الدخان الأسود إلى الجزيئات الصلبة العالقة والركام في منتجات غاز الاحتراق.

ويعتقد بشكل عام أن هناك ثلاث طرق لتقليل تركيز الدخان الأسود:

أولاً، من خلال الاعتماد على مبادئ مثبطات اللهب مثل تأثير التغطية، وتأثير النقل، وتثبيط الجذور الحرة، وتسريع الكربنة لتغيير وضع الاحتراق.

ثانياً، عن طريق تعبئة كميات كبيرة من المواد غير العضوية لتقليل كمية المواد القابلة للاحتراق وبالتالي تقليل انبعاث الدخان. ومع ذلك، فإن الاستخدام المفرط يمكن أن يسبب أضرارا جسيمة لخصائص المنتجات.

ثالثًا، من خلال استخدام التأثيرات التآزرية لتحقيق تثبيط اللهب المركب.

وينتج الدخان الأبيض بشكل أساسي عن بخار الماء الناتج أثناء احتراق المواد، بالإضافة إلى الجزيئات الصغيرة من بخار الماء المتكثف العالقة في الهواء. هناك أيضًا بعض الأجزاء غير المرئية وهي غازات، مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وHCN، والميثان، وغيرها.

بخار الماء، على الرغم من أنه غير ضار لجسم الإنسان، إلا أنه يقلل من نفاذية الدخان ويزيد من كثافة الدخان. يلعب هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم دورًا مثبطًا للهب من خلال امتصاص حرارة الاحتراق، لكن بخار الماء الذي ينتجانه هو السبب الرئيسي للدخان الأبيض. ولذلك، فإن تحقيق التوازن بين تثبيط اللهب وإخماد الدخان أمر بالغ الأهمية.

ثانيا. ما هي المواد المعرضة لإنتاج الدخان؟

يتم قياس كمية الدخان المنبعثة من المواد أثناء الاحتراق عمومًا بالكثافة البصرية القصوى المحددة (Dm)، والمعروفة أيضًا بالكثافة القصوى للدخان. كلما زادت الكثافة البصرية القصوى المحددة للبوليمر، زاد ميله إلى انبعاث الدخان، وكلما زاد سمك الدخان الأسود الذي ينتجه أثناء الاحتراق، مما يؤدي إلى تلوث بيئي أكثر خطورة. يظهر الجدول أدناه الحد الأقصى للكثافة البصرية المحددة للبوليمرات الشائعة.

ومن الجدول يمكن ملاحظة ما يلي:

(1) البوليمرات ذات هياكل البوليين أو حلقات البنزين في السلاسل الجانبية تميل إلى إنتاج المزيد من الدخان. وذلك لأن سلاسل الكربون البوليين يمكن أن تخضع للدورة والتكثيف وتكوين جزيئات الكربون الجرافيتية.

(2) تشكل البوليمرات التي تحتوي على حلقات بنزين في السلاسل الجانبية (مثل البوليسترين) روابط مزدوجة مترافقة بسهولة أثناء الاحتراق، والتي بعد ذلك تدور وتتكثف إلى كربون، مما يؤدي إلى إنتاج دخان مرتفع.

(3) يمكن أيضًا أن يتحول كلوريد البوليفينيل (PVC)، بعد إطلاق كلوريد الهيدروجين، إلى بوليمرات تنتج كمية كبيرة من الدخان أثناء الاحتراق.

بما أن معيار الاحتراق الخالي من الدخان للبوليمرات هو أقصى كثافة بصرية محددة (Dm) أقل من 300، يجب تعديل الراتنجات ذات إنتاج الدخان العالي مثل PET، PC، PS، ABS، وPVC لكل من مثبطات اللهب وإخماد الدخان، مع أهمية PVC بشكل خاص.

ثالثا. اختيار مثبطات اللهب ومثبطات الدخان

في تكنولوجيا مثبطات اللهب المعاصرة، يتم اعتبار 'مثبطات اللهب' و'قمع الدخان' معًا. بالنسبة لبعض البوليمرات، يعد 'قمع الدخان' أكثر أهمية من 'مثبطات اللهب'، مما يجعل تطوير مثبطات اللهب المثبطة للدخان أمرًا في غاية الأهمية.

ما هي الصفات التي يجب أن تتمتع بها المادة حتى تعتبر مادة مانعة للدخان؟

أثناء الاحتراق، يكون اللهب من النوع المنتشر، ويحمل الحمل الحراري الفحم المتكون بالفعل إلى الهواء، وهو السبب الأساسي لزيادة إنتاج الدخان.

إذا كان من الممكن تثبيت الفحم المتكون بالفعل على سطح المادة المحترقة بدلاً من السماح له بالطفو في الهواء، فإن ذلك من شأنه أن يقلل بشكل كبير من كثافة دخان المادة.

المفتاح لتحقيق هذا المفهوم هو تصنيع أو العثور على مركب يمكن أن ينصهر بين 700 إلى 1000 درجة مئوية ويكون بمثابة مادة لاصقة عند درجة الحرارة تلك.

وفي الوقت نفسه، عند تصميم تركيبات مثبطات اللهب الخالية من الدخان، من الضروري اختيار مثبطات اللهب ذات إنتاج منخفض للدخان كلما أمكن ذلك. يتم عرض الحد الأقصى للكثافة البصرية المحددة لمثبطات اللهب المختلفة في الجدول أدناه.

تعمل كل من أنظمة مثبطات اللهب الهالوجين/الأنتيمون والفوسفور الأحمر المطلي على زيادة كمية الدخان وانتشار الغازات السامة، لذلك عند استخدام أنظمة مثبطات اللهب بالبروم، من الضروري إضافة مادة مانعة للدخان في نفس الوقت.

رابعا. تصنيف مثبطات اللهب ومثبطات الدخان

باختصار، يمكن تقسيم مثبطات الدخان إلى فئتين رئيسيتين: غير عضوية وعضوية، مع كون مثبطات الدخان غير العضوية هي الأكثر استخدامًا.

• مثبطات الدخان غير العضوية

مثبطات الدخان غير العضوية هي في المقام الأول أكاسيد معدنية وهيدروكسيدات وأملاح معدنية.

1. تستخدم مركبات الموليبدينوم بشكل شائع في مثبطات دخان أكسيد المعدن. وتشمل الأنواع الرئيسية ثالث أكسيد الموليبدينوم، وأوكتاموليبدات الأمونيوم، وموليبدات الكالسيوم، وفوسفومولبدات الكالسيوم، وموليبدات الزنك، ومزيج مركبات الموليبدينوم مع ثالث أكسيد الأنتيمون، وأكسيد النحاس، وأكسيد الحديد، وأكسيد الكادميوم. هذه هي من بين الأكثر فعالية لقمع الدخان. العديد من مثبطات دخان مركب الموليبدينوم التجارية وذات الكفاءة العالية هي ثالث أكسيد الموليبدينوم وأوكتاموليبدات الأمونيوم.

تتضمن آلية إخماد الدخان لمركبات الموليبدينوم تعزيز الكربنة من خلال الارتباط المتقاطع في الطور المكثف، وبالتالي ممارسة تأثير قمع الدخان. على سبيل المثال، تشكل مركبات الموليبدينوم الفحم مع PVC والراتنجات الأخرى أثناء الاحتراق، مما يغطي سطح البوليمر لتحقيق تثبيط اللهب وقمع الدخان.

يتراوح مستوى الإضافة العام لمثبطات الدخان القائمة على الموليبدينوم بين 2% و3%، مما يمكن أن يقلل إنتاج الدخان بنسبة 30% إلى 80%.

2. تشتمل آلية إخماد الدخان لمركبات الحديد على تعزيز الكربنة من خلال الارتباط المتقاطع في الطور المكثف وتعمل أيضًا كمحفزات للأكسدة، وتحويل الكربون الموجود في البوليمر إلى أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. وتشمل الأنواع الرئيسية الفيروسين، والفيروسين -1،1'-حمض ثنائي الكربوكسيل، وأكسيد الحديد (III)، وفرات البوتاسيوم، وأكسالات الحديدوز، المستخدمة في تركيبة مع الهاليدات.

الفيروسين هو مركب سيكلوبنتادينيل من الحديد (II). الفيروسين لونه برتقالي-أحمر ولا يمكن استخدامه مع مثبطات اللهب ذات الأساس الفوسفوري. وأيضًا، نظرًا للونه، لا يتم الترويج له بسهولة للاستخدام على نطاق واسع.

يُباع الفيروسين بشكل أساسي كمادة مثبطة للدخان بالنسبة للـ PVC الصلب. يمكن أن يؤدي استخدام 0.5 جزء لكل 100 جزء من PVC إلى تقليل إنتاج الدخان من PVC الصلب بنسبة 30% إلى 70%.

أثناء عملية إطلاق حمض الهيدروكلوريك في PVC، يتحول الفيروسين بسرعة إلى α-Fe2O3، الموجود في طبقة الكربون. يمكن أن يتسبب α-Fe2O3 في حرق الطبقة المتفحمة وتحفيز أكسدة طبقة الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، وبالتالي تقليل كمية أسود الكربون المتكون.

FeCl2 وFeCl3، وهما من سلائف α-Fe2O3، هما أيضًا من مثبطات الدخان الفعالة. إنها تعمل على تحسين عملية الانحلال الحراري للـ PVC، مما يسهل إنتاج القطران الخفيف، وبالتالي تقليل توليد الدخان الأسود.

3. الأنواع الرئيسية من هيدروكسيدات المعادن هي هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم.

تتضمن آلية إخماد الدخان المحددة تكوين أكسيد الألومنيوم وأكسيد المغنيسيوم بمساحة سطحية كبيرة أثناء التسخين، والتي يمكن أن تمتص الدخان والغبار. إنه يعزز تكوين شار في المرحلة الصلبة. يمكن أن يؤدي التفاعل الطارد للحرارة للمياه التي تتحول إلى بخار إلى تخفيف الغازات القابلة للاشتعال والدخان. يمكن أن يتفاعل مع هاليدات الهيدروجين المنبعثة من التحلل الحراري للمركبات المحتوية على الهالوجين (التقاط هاليدات الهيدروجين)، وبالتالي تقليل كمية هاليدات الهيدروجين السامة الموجودة في الدخان.

إن تأثير قمع الدخان لهيدروكسيد فلز واحد جيد بالفعل، ولكن الجمع المباشر بين الاثنين أو استخدامه مع مركبات الموليبدينوم، وأكاسيد المعادن، والمجمعات المعدنية يمكن أن يحقق نتائج أفضل.

4. تشمل الأنواع الرئيسية للأملاح المعدنية الكربونات مثل كربونات الكالسيوم، والبورات مثل بورات الزنك، والفوسفات مثل فوسفات الزنك، والأوكسالات مثل أكسالات الكروم وأكسالات النحاس، والكبريتات مثل كبريتات الزنك، والستانات مثل ستانات الزنك، والألومينات. مثل ألومينات الزنك.

تتضمن آلية إخماد دخان CaCO3 تفاعله مع هاليدات الهيدروجين الموجودة في الدخان (التقاطه) لتكوين CaCl2 المستقر. نظرًا لأن التفاعل عبارة عن تفاعل غير متجانس بين الغاز الصلب، فإنه يمكن أن يحدث فقط على سطح الجسيمات الصلبة، مما يجعل حجم جسيمات CaCO3 عاملاً مهمًا في إخماد الدخان. فقط الجسيمات الدقيقة لها مساحة سطحية محددة أكبر بكثير.

وفقًا لمبادئ إخماد الدخان المذكورة أعلاه، فإن أي بوليمر ينتج هاليدات الهيدروجين أثناء الاحتراق، مثل كلوريد الفينيل، والبولي إيثيلين المكلور سلفونات، ومطاط الكلوروبرين، وما إلى ذلك، يمكنه استخدام CaCO3 كمادة مثبطة للدخان.

5. من بين مثبطات اللهب النانوية ومثبطات الدخان، تعد أكاسيد المعادن المركبة من هيدروكسيد مزدوج النانو (LDH) فئة من أكاسيد المعادن المركبة ذات هيكل متعدد الطبقات. إضافة 3-5 أجزاء من LDH إلى PVC يمكن أن يقلل من كثافة الدخان القصوى أثناء احتراق PVC بنسبة 30%-50%، مع الحد الأدنى من التأثير على خصائصه الميكانيكية. باستخدام طريقة التعبئة بمادة CaCO3 النانوية لإخماد الدخان، فإن كمية تعبئة تبلغ حوالي 10% فقط يمكن أن تنتج تأثيرًا مثاليًا.

6. مثبطات دخان الاقتران الاختزالي عبارة عن مواد مضافة تعمل على تعزيز تفاعلات الاقتران ويمكن أن تنتج معادن صفرية التكافؤ عندما تتحلل البوليمرات حرارياً. وتشمل هذه مجموعة من مركبات الكربونيل المعدنية الانتقالية، وأملاح الفورمات والأكسالات للمعادن الانتقالية، ومجمعات النحاس أحادي التكافؤ. وكذلك مجمعات النحاس أحادي التكافؤ مع الفوسفيت أو الروابط الأخرى، وما إلى ذلك. ومن بين هذه المركبات، تعد مركبات النحاس واحدة من أكثر أنواع المواد المضافة فعالية.

يمكن لمركبات النحاس (II) أن تقلل بشكل كبير من كمية البنزين المنتج أثناء الانحلال الحراري، وفي وجود Cu2O، تزداد درجة الارتباط المتقاطع للـ PVC بشكل كبير عند درجات حرارة تتراوح بين 200 درجة مئوية و300 درجة مئوية.

تسبب مركبات النحاس ترابطًا متقاطعًا من خلال الاقتران الاختزالي. على الرغم من أن أملاح النحاس ليست عرضة لتحفيز أيزومرة البوليينات (أيزومرة cis-trans)، إلا أنها يمكن أن تعمل أيضًا كمحفزات حمضية ضعيفة لتعزيز ألكلة فريدل كرافت.

وباعتباره عامل اقتران اختزالي مناسب، فإنه ينبغي عمومًا أن يتمتع بالخصائص التالية:

- يجب أن يكون النشاط الكهروكيميائي للمعدن منخفضًا نسبيًا، مما يعني أن أيون المعدن يجب أن يكون قابلاً للاختزال إلى حالة الأكسدة الصفرية.

- في أكاسيد المعادن، يجب أن يكون المعدن في حالة أكسدة أقل، أو يجب أن يحتوي المجمع المعدني على رابطة قابلة للتأكسد يمكن إزالتها من خلال الاختزال الحراري لتكوين معدن منخفض التكافؤ أو صفر التكافؤ.

- يجب أن يكون أيون المعدن قابلاً للاختزال فقط عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة معالجة البوليمر.

- يجب أن يكون غير مكلف، وعديم اللون قدر الإمكان، وليس له أي تأثير سلبي على تركيبة البوليمر.

• مساعدين قمع الدخان العضوي

1. سلسلة السيلوكسان العضوي، نوع جديد من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، وهي أيضًا مادة مانعة للدخان مكونة للكربون. إنه لا يوفر فقط للبوليمرات مقاومة ممتازة للهب وإخماد الدخان، بل يعمل أيضًا على تحسين أداء المعالجة والقوة الميكانيكية للمواد، وخاصة قوة التأثير في درجات الحرارة المنخفضة.

تشتمل سلسلة مثبطات اللهب السيلوكسان العضوي المتوفرة حاليًا في السوق على SFR100 التي تنتجها شركة جنرال إلكتريك في الولايات المتحدة. وهو عبارة عن بوليمر سيليكون شفاف ولزج يمكن استخدامه مع العديد من المتآزرات (أملاح الإستيرات، ومخاليط الأمينات متعددة الفوسفوريك وخماسي إريثريتول، وهيدروكسيد الألومنيوم، وما إلى ذلك). لقد تم استخدامه للبولي أوليفينات المثبطة للهب، وتلبية متطلبات تثبيط اللهب العامة بجرعات منخفضة، وتوفير تثبيط ممتاز للهب وإخماد الدخان بجرعات أعلى.

2. سلسلة الفيروسين، وتشمل الأنواع الرئيسية الفيروسين وبعض أملاح الأحماض العضوية.

المركبات شائعة الاستخدام هي الفيروسين وبعض مركبات الحديد العضوية، وهي الأكثر ملاءمة كمانعات دخان للـ PVC. الكمية المضافة حوالي 1.5 جزء.

• أنظمة مثبطات اللهب التآزرية

تشير أنظمة مثبطات اللهب التآزرية إلى أنظمة مثبطات اللهب المكونة من عنصرين (أحدهما مثبط للهب والآخر مؤازر) أو أكثر من المكونات، التي يفوق تأثيرها المثبط للهب مجموع تأثيرات المكونات الفردية.

غالبًا ما يتم تمثيل جودة النظام التآزري من خلال 'الكفاءة التآزرية' (SE). يتم تعريف SE على أنها نسبة كفاءة مثبطات اللهب (EFF) للنظام التآزري إلى كفاءة مثبطات اللهب لمثبط لهب واحد (بدون مثبطات تآزرية) عند نفس مستوى الإضافة، ويتم تعريف EFF على أنها الزيادة في مؤشر الأكسجين (LOI) قيمة المصفوفة المثبطة للهب لكل وحدة كتلة من عنصر مثبطات اللهب (ضمن نطاق معين من مستويات الإضافة). في معظم الحالات، يتم حساب قيمة SE بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها من النظام التآزري مع أفضل كفاءة لمثبطات اللهب.

يمكن لمثبطات اللهب المهلجنة في البوليسترين المثبط للهب، وABS، والمواد البلاستيكية الأخرى أن تستخدم مجمعات سيليكات أكسيد الأنتيمون غير العضوية كمواد متآزرة. هذا التآزر غير مكلف وله كثافة ألوان منخفضة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمركبات المكونة من مركبات الأنتيمون/مركبات المغنيسيوم - مركبات الزنك، عند استخدامها كمواد متآزرة في بعض أنظمة مثبطات اللهب، أن تعزز تثبيط اللهب وتوفر أيضًا إخماد الدخان.

يمكن استخدام مجمعات ثالث أكسيد الأنتيمون وثاني أكسيد السيليكون في البولي أوليفينات وABS وPVC والمطاط الصناعي والطلاءات. يمكن استخدام مخاليط أكسيد الأنتيمون والفلوروبورات في العديد من راتنجات اللدائن الحرارية واللدائن الهندسية.

المركب المكون من مركبات ستيرات الزنك/التلك/الحديد هو أيضًا عامل تآزري منخفض الدخان. يمكن أن تؤدي الإضافة المناسبة لهذا التآزر إلى تقليل كثافة الدخان لبعض المواد البلاستيكية المقاومة للهب المحتوية على الهالوجين وزيادة النفاذية.

ثالث أكسيد الأنتيمون له أيضًا تأثير تآزري على مثبطات اللهب MCA PA. يمكن لـ MCA تحسين أداء مثبطات اللهب بشكل ملحوظ لـ PA12 وزيادة مؤشر الأكسجين.

لقد كان تطوير المواد المقاومة للهب أحد مجالات التركيز الرئيسية في مجال السلامة من الحرائق. عادةً ما تستخدم الطرق التقليدية لمثبطات اللهب مواد، على الرغم من فعاليتها في إبطاء انتشار الحريق، إلا أنها تنتج كميات كبيرة من الدخان والغازات السامة أثناء عملية الاحتراق. وإدراكًا لذلك، بدأت صناعة مثبطات اللهب في التحول إلى إنتاج مواد مثبطات للهب جديدة وغير سامة وصديقة للبيئة تقلل من إنتاج الدخان وإطلاق المواد الضارة.

YINSU Flame Retardants مكرس للبحث والتطوير لحلول مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين ومنخفضة الدخان. لقد أدى التزامنا بالابتكار إلى تطوير مجموعة من منتجات مثبطات اللهب التي لا تتوافق مع معايير السلامة الصارمة فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين قابلية المعالجة والقوة الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة تمامًا للمادة. باختصار، تلتزم YINSU Flame Retardants بتزويد السوق بحلول مثبطات اللهب المتقدمة التي تعطي الأولوية للسلامة وحماية البيئة وأداء المواد. ومن خلال جهود البحث والتطوير المستمرة، نحن ملتزمون بوضع معايير جديدة في الصناعة والتأكد من أن منتجاتنا تلبي الاحتياجات المتطورة لعملائنا والمجتمع العالمي.

في مجال تثبيط اللهب، يعد تطوير المواد التي تخفف من انبعاث الدخان وتتجنب استخدام الهالوجينات أمرًا ذا أهمية قصوى. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن العديد من الوفيات المرتبطة بالحرائق لا تنتج عن الحرارة، بل عن الغازات السامة والضارة المنبعثة أثناء الاحتراق. يعد تصنيف واختيار مثبطات اللهب ومثبطات الدخان أمرًا بالغ الأهمية، مع التركيز على المركبات غير العضوية والعضوية التي يمكنها تقليل إنتاج الدخان بشكل فعال دون المساس بخصائص المادة.

تعتبر شركة YINSU Flame Retardant Company في طليعة هذه الصناعة، وهي مخصصة للبحث والتطوير لمثبطات اللهب منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين. منتجاتنا، مثل مثبطات لهب الفسفور الأحمر المغلفة بكبسولات دقيقة فرب-950X و فرب-8050، تم تصميمها لتكون ذات كفاءة عالية في تثبيط اللهب أثناء إنتاج كثافة الدخان. بالإضافة إلى ذلك، توفر سلسلة T المركبة الخاصة بنا بديلاً صديقًا للبيئة وخاليًا من الهالوجين لثالث أكسيد الأنتيمون، مما يسمح باستبدال مكافئ والحفاظ على نفس المستوى من تثبيط اللهب. إن التزام YINSU بالابتكار في تكنولوجيا مثبطات اللهب لا يعالج مخاوف السلامة المباشرة فحسب، بل يساهم أيضًا في الصحة البيئية على المدى الطويل من خلال توفير حلول مستدامة لمختلف التطبيقات في صناعة البوليمر. مع التركيز على التميز والتفاني في المسؤولية البيئية، تضع YINSU معايير جديدة في مجال مثبطات اللهب.