ما هي أحدث التطورات في تكنولوجيا مثبطات اللهب في الداخل والخارج

ما هي أحدث التطورات في تكنولوجيا مثبطات اللهب في الداخل والخارج

تُستخدم مواد البوليمر، وهي إحدى المواد الرئيسية الثلاثة إلى جانب المواد الخزفية والمعدنية، على نطاق واسع في كل جانب من جوانب العمل والحياة البشرية تقريبًا. ومع ذلك، فإن معظم مواد البوليمر هي بوليمرات ذات أساس كربوني، مما يجعلها شديدة الاشتعال عند تعرضها للهب المكشوف، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لحياة الإنسان وممتلكاته. ولذلك، فإن البحث في خصائص مثبطات اللهب للبوليمرات أمر ضروري.

بناءً على خصائص احتراق مواد البوليمر، يمكن استخدام طرق مختلفة لمقاطعة عملية الاحتراق وتحقيق تثبيط اللهب. في عام 1930، تم اكتشاف نظام مثبطات اللهب التآزري المكلور بأكسيد الأنتيمون والبارافين وتم تطبيقه بنجاح على بعض مواد البوليمر. في الخمسينيات من القرن الماضي، طورت شركة هوكر كيميكال بوليسترات غير مشبعة مثبطة للهب باستخدام مونومرات تفاعلية تحتوي على حمض الفوسفوريك المكلور. وفي وقت لاحق، ظهرت مونومرات مثبطة للهب تفاعلية جديدة تحتوي على البروم والفوسفور. في الثمانينات، أدت المناقشات حول السمية والقضايا البيئية في مجال مثبطات اللهب إلى أن تصبح مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين وكاتمة الدخان ومنخفضة السمية أهدافًا تنموية جديدة. مع التطور السريع لمواد البوليمر، أصبحت الأبحاث المتعلقة بتكنولوجيا وآليات مثبطات اللهب واسعة النطاق ومتعمقة بشكل متزايد. تم استكشاف العديد من تقنيات مثبطات اللهب استنادًا إلى آليات انقطاع الطور الغازي والطور المكثف والتبادل الحراري. في السنوات الأخيرة، حظيت تقنيات مثبطات اللهب المركبة ومثبطات اللهب التآزرية ومثبطات اللهب الجزيئية باهتمام كبير. تقدم هذه المقالة نظرة عامة على التقدم الأخير في تقنيات مثبطات اللهب هذه محليًا ودوليًا.

I. تكنولوجيا مثبطات اللهب المركبة

1. هيدروكسيدات مزدوجة الطبقات (LDHs)

هيدروكسيدات مزدوجة الطبقات (LDHs) عبارة عن مواد نانوية غير عضوية ذات طبقات ذات تركيبات وهياكل مشابهة لهيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)₃, ATH) وهيدروكسيد المغنيسيوم (Mg(OH)₂, MH). فهي تجمع بين مزايا كليهما كما أنها خالية من المواد السامة، مما يجعلها مثبطات اللهب الخضراء المثالية لإخماد الدخان. تتضمن آلية مثبطات اللهب في LDHs التحلل أثناء الاحتراق إلى CO₂ وH₂O وأكاسيد المعادن. يعمل CO₂ وH₂ على تخفيف الغازات القابلة للاشتعال والأكسجين، مما يقلل من درجة حرارة الاحتراق، بينما تعمل الأكاسيد المعدنية على تعزيز تكوين طبقة الفحم، وعزل O₂ والحرارة، وبالتالي إبطاء تدهور الركيزة.

2. المواد الإطارية المعدنية العضوية النانوية (MOFs)

الأطر العضوية المعدنية هي مواد هجينة عضوية وغير عضوية مسامية، تتشكل عن طريق التجميع الذاتي للروابط العضوية مع أيونات أو مجموعات معدنية. تصميمها مرن وبنيتها قابلة للضبط. ومن خلال تعديل الروابط العضوية أو مواقع التنسيق المعدنية، يمكن الحصول على أطر معدنية عضوية ذات خصائص محددة، مما يشير إلى إمكانية تطبيقها على نطاق واسع. تتشكل أطر الزيوليت الإيميدازولات (ZIFs)، التي تجمع بين مزايا الأطر العضوية المعدنية التقليدية والزيوليتات، عن طريق التجميع الذاتي للمعادن الانتقالية مع الروابط العضوية المحتوية على الإيميدازول. فهي سهلة التركيب، ومستقرة، ولها مسام منتظمة، وهياكل متنوعة، ونشاط تحفيزي عالي.

3. سيلسيسكيوكسانيس متعدد السطوح (POSS)

POSS عبارة عن مثبط جديد للهب يعتمد على السيلوكسان وله بنية هجينة عضوية وغير عضوية. إنه يحسن تثبيط اللهب مع تعزيز الخواص الميكانيكية والمعالجة والحرارية للبوليمرات. يعمل POSS، بميزاته الهجينة، الشبيهة بالقفص، والبنية النانوية، على زيادة الاستقرار الحراري للبوليمر، وتثبيط اللهب، والأداء الميكانيكي مع تقليل ثابت العزل الكهربائي. يمثل POSS ومشتقاته، كمثبطات لهب خالية من الهالوجين، فئة رئيسية من مثبطات اللهب الجديدة الخالية من الهالوجين ويتم استخدامها على نطاق واسع.

4. صفائح الجرافين النانوية (GNS)

GNS عبارة عن مواد نانوية ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. تُظهر GNS ومشتقاتها خصائص مثبطة للهب ممتازة نظرًا لتأثيراتها النانوية، خاصة عند دمجها مع مواد نانوية غير عضوية لتشكيل مواد مثبطة للهب متعددة الاستخدامات. بالمقارنة مع مثبطات اللهب التقليدية القائمة على الكربون (على سبيل المثال، الجرافيت، الجرافيت الموسع، الجرافيت المؤكسد)، توفر البنية النانوية الفريدة ثنائية الأبعاد لـ GNS كفاءة أعلى في تثبيط اللهب. بالمقارنة مع أنابيب الكربون النانوية، يعتبر GNS أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات الصناعية.

تتضمن آلية مثبطات اللهب لـ GNS ومشتقاتها ما يلي:

- تعزيز تكوين طبقات الفحم الكثيفة والمستمرة أثناء الاحتراق، مما يوفر العزلة المادية.

- تعمل المساحة السطحية العالية النوعية على امتصاص الأبخرة العضوية القابلة للاشتعال بشكل فعال أو تعيق إطلاقها وانتشارها.

- تتحلل المجموعات النشطة على أسطح GNS وGO وتجفف عند درجات حرارة منخفضة، وتطلق غازات تمتص الحرارة وتقلل من درجة حرارة مادة البوليمر مع تخفيف تركيز O₂.

- يشكل التفاعل مع سلاسل البوليمر بنية شبكية ثلاثية الأبعاد، مما يمنع تقطر الذوبان ويحسن تثبيط اللهب.

ثانيا. تكنولوجيا مثبطات اللهب التآزرية

واحدة من أحدث النقاط الساخنة للأبحاث الدولية في مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين هي استخدام عناصر مثبطات اللهب المتعددة للتعويض عن أوجه القصور في العناصر الفردية، وموازنة جرعة مثبطات اللهب، والأداء، والتكلفة لتلبية المتطلبات البيئية ومتطلبات السلامة المتزايدة. لقد درس الباحثون على نطاق واسع التأثيرات التآزرية لمختلف أنظمة مثبطات اللهب، مثل مثبطات اللهب التآزرية بالهيدروكسيد، ومثبطات اللهب التآزرية بين الفوسفور والنيتروجين، ومثبطات اللهب التآزرية بين الفوسفور والسيليكون، وأنظمة مثبطات اللهب المركبة من الجسيمات النانوية.

1. مثبطات اللهب التآزرية لهيدروكسيد المعدن

تعد هيدروكسيدات المعادن، بما في ذلك ATH وMH، من بين مثبطات اللهب الأكثر صديقة للبيئة لأنها لا تنتج أي مواد ضارة أثناء تثبيط اللهب. يمكن لمنتجات التحلل الخاصة بها أن تمتص الغازات الضارة والدخان الناتج أثناء احتراق البوليمر. يتم تصنيف مثبطات اللهب المركبة الخالية من الهالوجين إلى مواد ذات طبقات، ومركبات تحتوي على الفوسفور، وأكاسيد أرضية نادرة.

2. مثبطات اللهب التآزرية بين الفوسفور والنيتروجين

أصبح التآزر بين الفوسفور والنيتروجين اتجاهًا رئيسيًا في أبحاث وتطوير مثبطات اللهب المعتمدة على الفوسفور والنيتروجين، مما يوفر خيارًا صديقًا للبيئة وخاليًا من الهالوجين في العديد من المجالات. تشتمل آلية مثبطات اللهب على مزيج من مثبطات اللهب ذات الطور المكثف والمرحلة الغازية. أثناء الاحتراق، تتحلل مثبطات اللهب لتشكل أحماض غير عضوية مثل حمض الفوسفوريك أو حمض البوليفوسفوريك، مما يخلق طبقة واقية على سطح الركيزة لعزل الهواء. وفي الوقت نفسه، فإنها تطلق غازات غير قابلة للاشتعال مثل الأمونيا والنيتروجين وبخار الماء وأكاسيد النيتروجين، مما يمنع إمدادات الأكسجين ويحقق تثبيط اللهب. على سبيل المثال، يتم تحضير مثبطات اللهب المنتفخة القابلة للذوبان في الماء من الفوسفور والنيتروجين (PEIPO) لرغاوي البولي يوريثان المرنة المنفوخة بالماء باستخدام سلائف البولي إيثيلين أمين والفوسفور الوسيطة.

3. الأنظمة التآزرية الأخرى

تُستخدم مثبطات اللهب الألكيل هيبوفوسفيت، المعروفة بثباتها الحراري، ومحتواها العالي من الفوسفور، وأدائها الممتاز لمثبطات اللهب، على نطاق واسع ولكنها باهظة الثمن. أدائها الميكانيكي ليس مثاليًا عند استخدامها بمفردها، لذلك غالبًا ما يتم دمجها مع الجسيمات النانوية أو مثبطات اللهب غير العضوية. هيبوفوسفيت الألكيل الخطي أو المتفرع هو الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، مع تطبيق AlPi في البوليسترات والبولي أميدات (PA). على سبيل المثال، يقوم AlPi وtriethylenglycol triglycidate (TGIC) بالتآزر مع مادة البولي أميد 6 (PA6) المثبطة للهب. عندما يكون إجمالي جزء الكتلة من AlPi وTGIC هو 11% مع نسبة كتلة 97:3، يتم تحقيق تصنيف UL-94 V-0 وLOI بنسبة 30.3%. مثال آخر يتضمن مزج بولي فوسفات الأمونيوم (APP)، وهيبوفوسفيت الألومنيوم (AHP)، وسيانورات الميلامين (MCA) مع البولي بروبيلين (PP). عندما تكون كتلة مثبطات اللهب الإجمالية 30% مع نسبة m(APP):m(AHP):m(MCA) = 4:1:1، يتم تحقيق مثبطات اللهب المثالية، مع LOI بنسبة 33% وتصنيف UL-94 V-0.

ثالثا. تكنولوجيا مثبطات اللهب الجزيئية الكبيرة

يتم تصنيع مثبطات اللهب ذات الجزيئات الكبيرة عن طريق التفاعل الكيميائي لمثبطات اللهب ذات الجزيئات الصغيرة في هياكل جزيئية كبيرة، مما ينتج عنه مركبات غنية بعناصر مثبطات اللهب مع توافق جيد مع البوليمرات. على سبيل المثال، يتم تصنيع مثبطات اللهب الهجينة غير العضوية العضوية - سداسي [4- (N-phenylamino-DOPO-ميثيلين) فينوكسي] سيكلوتريفوسفاسين (DOPO-PCP) - عن طريق تفاعلات الاستبدال والتكثيف والإضافة لمثبطات اللهب DGEBA. يتضمن مثال آخر إدخال مجموعات أمين معاقة ذات وظائف مسح الجذور الحرة في مثبطات اللهب المنتفخة (IFR) لإنشاء مثبطات لهب منتفخة جزيئية كبيرة جديدة (HAPN)، والتي يتم استخدامها مع APP لتأخير اللهب PP.

تطورت مثبطات اللهب بشكل ملحوظ مع الاستخدام الواسع النطاق لمواد البوليمر. ومع تزايد الوعي البيئي، يتزايد الطلب على مثبطات اللهب الفعالة وغير السامة والمتوافقة مع البوليمر ومنخفضة الهجرة والفعالة من حيث التكلفة والصديقة للبيئة. تظهر باستمرار أنواع جديدة من مثبطات اللهب والتقنيات الناشئة. تتقدم تقنيات مثبطات اللهب التآزرية والجزيئية الكبيرة نحو كفاءة أعلى، وسمية أقل، وملاءمة للبيئة. تشمل الاتجاهات البحثية المستقبلية التصميم فائق الدقة، والكبسلة الدقيقة، والمجموعات التآزرية من مثبطات اللهب المختلفة، والتصميم الهيكلي لمثبطات اللهب الجزيئية الكبيرة، وتقنيات تعديل السطح لمواد مثبطات اللهب البوليمرية. مع تقدم الأبحاث المستمر، تستعد مثبطات اللهب للتطور القوي.

لقد حققت شركة YINSU Flame Retardant New Material Co., Ltd. نتائج رائعة في مجال مثبطات اللهب. إن مثبطات اللهب بالفوسفور الأحمر المطلية بالكبسولة الدقيقة تعتمد عملية طلاء الكبسولة الدقيقة الأصلية متعددة الطبقات، والتي تتميز بمحتوى عالي من الفوسفور، وكمية مضافة منخفضة، وكثافة دخان منخفضة، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة المادة، وفي نفس الوقت، تحسين التشتت والتوافق، والتأكد من أن مظهر المادة مسطح ومشرق. بالإضافة إلى ذلك، فإن مثبطات لهب الأنتيمون المركبة من شركة YINSU Flame Retardant، مثل سلسلة T ، لا تحافظ فقط على تأثير مثبطات اللهب لثالث أكسيد الأنتيمون التقليدي، ولكن أيضًا تقلل بشكل كبير من تكلفة المواد الخام، مع أداء معالجة ممتاز وامتثال بيئي، وهي مناسبة لمجموعة واسعة من الركائز البلاستيكية، وتستخدم على نطاق واسع في الأسلاك والكابلات، والأجهزة الإلكترونية والكهربائية، والديكورات الداخلية للسيارات وغيرها من الصناعات. بفضل مزاياها المتمثلة في تثبيط اللهب عالي الكفاءة، والامتثال البيئي وتحسين التكلفة، أصبحت هذه المنتجات الخيار الأمثل للعديد من الصناعات لتعزيز تثبيط اللهب لمنتجاتها.