مثبطات اللهب + تقليل الدخان، مقالة تساعدك على فهم تصنيف واختيار مثبطات الدخان البوليمرية المثبطة للهب

مثبطات اللهب + تقليل الدخان، مقالة تساعدك على فهم تصنيف واختيار مثبطات الدخان البوليمرية المثبطة للهب

في الحرائق، لا يموت معظم الناس بسبب ارتفاع درجة الحرارة، ولكن في الغالب بسبب المواد القابلة للاحتراق في عملية الاحتراق تطلق غازات سامة وضارة، مما يؤدي إلى التسمم أو عدم تناول كمية كافية من الأكسجين والوفاة.لذلك، فإن البحث والتطوير لعملية احتراق جديدة غير سامة وغير ضارة لا تنتج أو أقل سمية وغازات ضارة وسخام، ومواد مثبطة للهب ذات خصائص مثبطة للهب جيدة هي التركيز الميداني الحالي لمثبطات اللهب في اتجاه البحث.

في الوقت الحاضر، يتم ذلك بشكل رئيسي من خلال إضافة أكاسيد المعادن الانتقالية ومجمعات المغنيسيوم والزنك وهيدروكسيدات المعادن وأكسيد القصدير والفيروسين وأكسيد النحاس وغيرها من مثبطات الدخان لحل مشكلة الدخان الزائد في النار. إن مثبطات الدخان الجديدة والاحتراق بدون غازات سامة وضارة تنتجها مثبطات اللهب هي الاتجاه المستقبلي لأبحاث وتطوير المواد المثبطة للهب.

البوليمرات العامة في عملية الاحتراق ستنتج الكثير من الدخان، أي جزء من دخان احتراق البوليمر سام. عند إضافة البوليمر إلى مثبطات اللهب، وخاصة مثبطات اللهب المهلجنة وثالث أكسيد الأنتيمون، فإن الاحتراق سوف ينتج المزيد من الدخان والغازات السامة.

تكوين الدخان

الدخان الأسود هو الجزيئات الصلبة والتكتلات العالقة في نواتج غازات الاحتراق.

ويعتقد بشكل عام أن هناك ثلاث طرق لتقليل تركيز الدخان الأسود: الأول هو الاعتماد على تأثير التغطية، وتأثير النقل، وتثبيط الجذور الحرة، وتسريع تكوين الكربون ومبادئ مثبطات اللهب الأخرى لتغيير نمط الاحتراق؛والثاني هو ملء عدد كبير من المواد غير العضوية، عن طريق تقليل محتوى المواد القابلة للاحتراق لتقليل كمية الدخان، ولكن الجرعة الكبيرة جدًا ستؤدي إلى أضرار جسيمة لأداء المنتج؛والثالث هو استخدام التأثير التآزري، وهو مركب مثبطات اللهب.

يرجع الدخان الأبيض بشكل أساسي إلى بخار الماء الناتج عند احتراق المادة، ومكثفات بخار الماء والجسيمات الصغيرة الأخرى العالقة في الهواء.كما أن هناك بعض الأجزاء غير المرئية كالغازات، مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وثاني أكسيد الكربون (CO).₂، CO، HCN والميثان.

على الرغم من أن بخار الماء غير ضار للإنسان، إلا أنه يجعل معدل انتقال الضوء ينخفض ​​وتزيد كثافة الدخان. هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم بسبب امتصاصهما لحرارة الاحتراق ويلعبان دور مثبط للهب، ولكن توليد بخار الماء هو السبب الرئيسي للدخان الأبيض.ولذلك، فإن كيفية الوصول إلى التوازن بين مثبطات اللهب وإخماد الدخان أمر بالغ الأهمية.

ما هي المواد التي تميل إلى إنتاج الدخان

قم بقياس حجم المادة المشتعلة من الدخان بشكل عام باستخدام الحد الأقصى للكثافة البصرية المحددة (Dm)، والمعروفة أيضًا باسم الحد الأقصى لكثافة الدخان.كلما زادت الكثافة البصرية القصوى المحددة للبوليمرات، كلما زاد الدخان، وكلما زاد سمك الدخان الأسود عند الاحتراق، زاد تلوث البيئة.يظهر الجدول أدناه الحد الأقصى للكثافة البصرية المحددة للبوليمرات شائعة الاستخدام.

من الجدول يمكن رؤيته:

1. هيكل البولي أوليفين أو البوليمرات مع حلقة بنزين على السلسلة الجانبية، وكمية الدخان أكبر، وذلك لأن سلسلة الكربون البوليين يمكن تدويرها، والتكثيف المتعدد، وتوليد جزيئات الكربون الجرافيتية؛

2. في حين أن السلسلة الجانبية تحتوي على حلقة بنزين على البوليمر (مثل البوليسترين)، فمن السهل توليد الهيدروكربونات غير المشبعة المترافقة مزدوجة الرابطة، ومن ثم التكثيف المتعدد لدورة سلسلة الكربون في الفحم، وكمية الدخان عالية.

3. من السهل أيضًا تدوير كلوريد الهيدروجين من البولي فينيل لتشكيل كمية كبيرة من بوليمر دخان الاحتراق.

بسبب احتراق البوليمر معيار خالي من الدخان لأقصى كثافة بصرية محددة أقل من 300، لذا فإن PET، وPC، وPS، وABS، وPVC وغيرها من الكمية الكبيرة من الراتنجات التي ينبعث منها الدخان، ومثبطات اللهب في نفس الوقت تحتاج أيضًا إلى إجراء تعديل للدخان، والذي يعتبر PVC مهمًا بشكل خاص.

اختيار مثبطات اللهب ومثبطات الدخان

في تكنولوجيا مثبطات اللهب المعاصرة، يكون 'مثبطات اللهب' و'مثبطات الدخان' متشابهتين، وبالنسبة لبعض البوليمرات، يعد 'قمع الدخان' أكثر أهمية من 'مثبطات اللهب'.بالنسبة لبعض البوليمرات، يعتبر 'إخماد الدخان' أكثر أهمية من 'مثبطات اللهب'، لذلك من المهم جدًا تطوير مثبطات اللهب التي تعمل على إخماد الدخان.أي نوع من المواد لديه شروط مثبط الدخان؟

عندما تحترق مادة ما، ينتشر اللهب، ويؤدي الحمل الحراري للهواء إلى دفع الكربيد المتولد إلى الهواء، وهو السبب الأساسي لزيادة كمية الدخان.إذا كان من الممكن ترسيخ الكربيد المتولد على سطح المادة المحترقة، بدلاً من أن يطفو في الهواء، فسوف يقلل ذلك بشكل كبير من كثافة دخان المادة.المفتاح لتحقيق هذه الفكرة هو تصنيع أو البحث عن مركب يمكن صهره بين 700 إلى 1000 درجة مئوية، ويكون أداء درجة الحرارة مشابهًا للمادة اللاصقة.

في الوقت نفسه، في تصميم تركيبات مثبطات اللهب التي لا تدخن، قدر الإمكان اختيار مثبطات لهب منخفضة الدخان، يتم عرض الحد الأقصى للكثافة البصرية المحددة لأنواع مختلفة من مثبطات اللهب في الجدول أدناه.يعمل نظام مثبطات اللهب الهالوجين/الأنتيمون والفوسفور الأحمر المطلي على زيادة كمية الدخان وانتشار الغازات السامة، لذلك عند استخدام نظام مثبطات اللهب البروم، تحتاج إلى إضافة مادة مثبطة للدخان في نفس الوقت.

لتلخيص ذلك، يمكن تقسيم الإضافات المثبطة للدخان إلى فئتين: الإضافات غير العضوية والعضوية، والإضافات المثبطة للدخان غير العضوية هي الأكثر استخدامًا.

(1) المضافات غير العضوية لمثبطات الدخان

تتكون مثبطات الدخان غير العضوية أساسًا من أكاسيد معدنية وهيدروكسيدات وأملاح معدنية.

أ.يستخدم الموليبدينوم بشكل شائع في أكاسيد معدنية تساعد على إخماد الدخان، والأصناف الرئيسية من ثالث أكسيد الموليبدينوم، وأوكتاموليبدات أمين، وموليبدات الكالسيوم، وفوسفومولبدات الكالسيوم، وموليبدات الزنك، وما إلى ذلك، وكذلك مركبات الموليبدينوم والأنتيمون، وأكسيد النحاس، وأكسيد الحديد، وأكسيد الكادميوم، وما إلى ذلك. وبأفضل أنواع تأثير إخماد الدخان .هناك عدد كبير من مركبات الموليبدينوم ذات الكفاءة العالية ومثبطات الدخان التجارية هي ثالث أكسيد الموليبدينوم وأوكتاموليبدات الأمونيوم.

مركبات الموليبدينوم لمبدأ قمع الدخان في المرحلة المكثفة من خلال التشابك لتعزيز تكوين الفحم، لتلعب دور قمع الدخان.على سبيل المثال، تشكل مركبات الموليبدينوم الفحم المتبقي مع PVC والراتنجات الأخرى أثناء عملية الاحتراق، مما يغطي سطح البوليمر لتحقيق تأثير مثبطات اللهب وقمع الدخان.إضافة الموليبدينوم القائم على الدخان المبلغ العام من 2٪ -3٪ بين كمية الدخان يمكن تقليلها بنسبة 30٪ -80٪ ​​من كمية الدخان.

ب.آلية قمع الدخان الكيميائي الحديدي في المرحلة المكثفة من خلال التشابك لتعزيز تكوين الكربون، ولكن أيضًا كمحفز للأكسدة، سيتم تحويل البوليمر إلى أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.الأصناف الرئيسية هي الفيروسين، وحمض الفيروسين 1،1-ثنائي الكربوكسيل، وأكسيد الحديديك، وأكسالات حديد البوتاسيوم، وأكسالات الحديدوز، وما إلى ذلك، والهاليدات والاستخدام.

الفيروسين هو مركب سيكلوبنتادينيل من الحديدوز.الفيروسين لونه برتقالي-أحمر، ولا يمكن استخدامه مع مثبطات اللهب المحتوية على الفوسفور.وبسبب اللون، ليس من السهل الترويج للتطبيق.يُباع الفيروسين بشكل رئيسي كمادة دخان للـ PVC الصلب.كل 100 PVC مع 0.5 نسخة، يمكن أن تقلل من دخان PVC الصلب بنسبة 30٪ إلى 70٪.يتم تحويل الفيروسين بسرعة إلى α-Fe2O3 في عملية إزالة حمض الهيدروكلوريك PVC، الموجود في طبقة الكربون.يمكن أن يتسبب α-Fe2O3 في احتراق الطبقة المتفحمة وتحفيز أكسدة طبقة الكربون لتصبح ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من كمية تكوين أسود الكربون.

FeCl2 وFeCl3 هما الجيلان السابقان لجيل α-Fe2O3، وهما أيضًا مزيلان فعالان للدخان، حيث يغيران عملية تكسير PVC للأبد، بحيث يكون من السهل توليد القطران الخفيف، وبالتالي تقليل توليد الدخان الأسود.

ج.الأنواع الرئيسية من هيدروكسيد المعدن هي هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم.يتكون مبدأ قمع الدخان المحدد في عملية تسخين الألومينا وأكسيد المغنيسيوم بمساحة سطحية كبيرة، ويمكن أن يمتص السخام؛في المرحلة الصلبة لتعزيز تكوين الفحم.الماء الطارد للحرارة إلى بخار الماء، يمكن تخفيفه بالغازات القابلة للاحتراق، وتخفيف الدخان؛يمكن أن يتم التحلل الحراري للمركبات المحتوية على الهالوجين مع إطلاق تفاعل هاليد الهيدروجين (التقاط هاليد الهيدروجين)، وبالتالي تقليل كمية الدخان في الغازات السامة هاليد الهيدروجين.وكان تأثير قمع الدخان هيدروكسيد المعدن واحد جيد جدا، ولكن الاستخدام المركب المباشر اثنين أو مع مركبات الموليبدينوم، وأكاسيد المعادن، واستخدام مركب معدني لنتائج أفضل.

د.الأنواع الرئيسية للأملاح المعدنية هي الكربونات مثل كربونات الكالسيوم، والبورات مثل بورات الزنك، والفوسفات مثل فوسفات الزنك، والأوكسالات مثل الكروم وأكسالات النحاس وما إلى ذلك، والكبريتات مثل كبريتات الزنك وغيرها، والستانات مثل الزنك. ستانات، ألومينات مثل ألومينات الزنك.

مبدأ قمع دخان CaCO3 هو أنه يمكن أن يكون والدخان في تفاعل هاليد الهيدروجين (التقاط)، بحيث يتم توليد CaCl2 مستقر.بسبب التفاعل الصلب - الغازي، لا يمكن إجراء تفاعل غير متجانس إلا على سطح الجزيئات الصلبة، وبالتالي فإن حجم جزيئات CaCO3 يصبح عاملاً رئيسياً في تأثير قمع الدخان.فقط الجزيئات الصغيرة لها سطح محدد أكبر بكثير.وفقا لمبدأ إخماد الدخان المذكور أعلاه، يمكن لجميع البوليمرات التي تنتج هاليد الهيدروجين عند الاحتراق، مثل كلوريد الفينيل، والبولي إيثيلين المكلور سلفونات، ومطاط النيوبرين، وما إلى ذلك، استخدام CaCO3 كمادة دخان.

ه.نانو مثبطات اللهب للدخان أكاسيد نانو مزدوجة الهيدروكسيل المعدنية المركبة (LDH) هي فئة من أكاسيد المعادن المركبة ذات هيكل متعدد الطبقات، إضافة 3-5 أجزاء من LDH في PVC يمكن أن تجعل كثافة الدخان القصوى لاحتراق PVC تنخفض بنسبة 30٪ -50 %، وتأثير أقل على خواصه الميكانيكية.مملوء بطريقة Nanoscale CaCO3 لتنفيذ إخماد الدخان، تبلغ كمية التعبئة حوالي 10% فقط، وسوف تنتج التأثير المطلوب.

F.يمكن لمثبط دخان اقتران التخفيض أن يعزز عملية اقتران المواد المضافة في انقسام البوليمر ويمكن أن ينتج مركبات معدنية صفرية التكافؤ، بما في ذلك سلسلة من مركبات الكربونيل المعدنية الانتقالية، وفورمات المعادن الانتقالية والأكسالات، ومجمعات النحاس أحادية التكافؤ؛ومجمعات النحاس أحادية التكافؤ التي تحتوي على الفوسفيت أو الروابط الأخرى، وما إلى ذلك، والتي تعد مركبات النحاس من أكثر الإضافات فعالية من هذا النوع.

يمكن لمركبات Cu (II) أن تقلل بشكل كبير من كمية البنزين المتولدة أثناء التكسير، وتزداد درجة الارتباط المتقاطع لـ PVC بشكل كبير عندما يكون Cu2O موجودًا عند 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية.تسبب مركبات النحاس ترابطًا متقاطعًا عن طريق الاقتران الاختزالي، على الرغم من أن أملاح النحاس لا تحفز بسهولة الأيزومرة (التصاوغ cis-trans) للبوليينات، على الرغم من أنها يمكن أن تعمل أيضًا كمحفزات حمضية ضعيفة لتعزيز ألكلة فريدل كرافت.

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

1. يجب أن يكون النشاط الكهروكيميائي للمعدن منخفضًا، أي يجب أن يكون أيون المعدن قابلاً للاختزال إلى حالة أكسدة صفرية؛

2. في أكسيد الفلز، يجب أن يكون المعدن في حالة أكسدة منخفضة، أو يجب أن يحتوي المجمع المعدني على رابطة قابلة للأكسدة ويكون قادرًا على توليد معدن منخفض أو صفر التكافؤ عن طريق الإزالة الحرارية المختزلة؛

3. يجب أن يكون أيون المعدن أعلى من درجة حرارة معالجة البوليمر حتى يتم تقليله؛

4. يجب أن يكون غير مكلف، وعديم اللون قدر الإمكان، وليس له أي آثار ضارة على تركيبة البوليمر.

(2) المضافات العضوية المثبطة للدخان

أ.نظام السيليكون العضوي، هو نوع جديد من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، ولكنه أيضًا مثبط دخان من نوع الفحم، مما يمنح البوليمرات مثبطًا ممتازًا للدخان مثبطات اللهب في نفس الوقت، ولكن أيضًا لتحسين خصائص معالجة المادة وتحسين القوة الميكانيكية للمادة، على وجه الخصوص، قوة التأثير في درجات الحرارة المنخفضة.يوجد حاليًا في السوق مثبطات اللهب السيليكونية SFR100 التي تنتجها شركة جنرال إلكتريك، وهو عبارة عن بوليمر سيليكون شفاف ولزج، مع مجموعة متنوعة من العوامل التآزرية (مخاليط ستيرات، أمين متعدد الفوسفات وبنتيريثريتول، هيدروكسيد الألومنيوم، إلخ) وقد تم استخدامه في اللهب. البولي أوليفينات المثبطة، جرعة منخفضة لتلبية المتطلبات العامة لمثبطات اللهب، يمكن منح جرعة عالية مع الركيزة مع مثبطات اللهب الممتازة وقمع الدخان.

ب.نظام الفيروسين، الأصناف الرئيسية للفيروسين وبعض أملاح الأحماض العضوية.يشيع استخدام الفيروسين وبعض مركبات الحديد العضوية، وهي أكثر ملاءمة لمانع دخان PVC، مع إضافة كمية 1.5 جزء.

(3) نظام مثبطات اللهب التآزري

يشير نظام مثبطات اللهب التآزري إلى نظام مثبطات اللهب المكون من مكونين (أحدهما مثبط للهب والآخر عامل تآزري) أو أكثر من مكونين، حيث يكون تأثير مثبطات اللهب أفضل من مجموع تأثير مثبطات اللهب لكل منهما عنصر.يتم التعبير عن مزايا وعيوب النظام التآزري غالبًا باسم 'الكفاءة التآزرية' (SE)، والتي يتم تعريفها على أنها نسبة كفاءة مثبطات اللهب (EFF) للنظام التآزري إلى كفاءة مثبط لهب واحد (بدون تآزري). العامل) في النظام (بنفس الكمية المضافة)، ويتم تعريف EFF على أنه الزيادة في مؤشر الأكسجين (LOI) للركيزة المثبطة للهب لكل وحدة كتلة من عنصر مثبطات اللهب (ضمن نطاق معين من الكمية المضافة) .المبلغ المضاف ضمن نطاق معين).في معظم الحالات، تعتمد قيمة SE على النتائج التي تم الحصول عليها من النظام التآزري مع أفضل كفاءة لمثبطات اللهب.

بالنسبة لمثبطات اللهب المهلجنة في البوليسترين المثبط للهب وABS وبعض المواد البلاستيكية الأخرى، يمكن استخدام أكسيد الأنتيمون - مركب السيليكات غير العضوي كعامل تآزر.هذا التآزر غير مكلف وله قوة ألوان منخفضة.وبالإضافة إلى ذلك، مركبات الأنتيمون / مركبات المغنيسيوم - مركبات الزنك تتكون من المجمع كعامل تآزري لنظام مثبطات اللهب، سواء لتحسين تأثير مثبطات اللهب، ولكن يمكن أن تلعب أيضًا تأثير قمع الدخان.

ستيرات الزنك / التلك / مركبات الحديد المكونة من المجمع هي أيضًا عامل تآزري منخفض الدخان، بإضافة الكمية المناسبة من هذا العامل التآزري، يمكن أن تجعل بعض المواد البلاستيكية المقاومة للهب المحتوية على الهالوجين، انخفضت كثافة الدخان، وزيادة نفاذية الضوء.