​حلول مثبطات اللهب للمواد البلاستيكية المعدلة (الجزء الأول): خصائص المنتج + سيناريوهات التطبيق، موضحة في مقال واحد

محاليل مثبطات اللهب للمواد البلاستيكية المعدلة (الجزء الأول): خصائص المنتج + سيناريوهات التطبيق، موضحة في مقال واحد

مثبطات اللهب هي مركبات تضاف إلى البلاستيك لإبطاء انتشار الحريق. يتم استخدامها على نطاق واسع في المكونات الإلكترونية والكهربائية، والأسلاك والكابلات، والبناء، والأجهزة المنزلية، وغيرها من المجالات.
لمنع الاحتراق، يجب أن تتمتع البوليمرات بالثبات الحراري، مما يعني أنه يجب أن يكون لديها احتمال منخفض للتحلل إلى غازات قابلة للاشتعال تحت الضغط الحراري. ومع ذلك، فإن البوليمرات ذات الثبات الحراري العالي غالبًا ما يكون لها قيود على الأداء، حيث تكون إما مكلفة للغاية أو صعبة المعالجة.

يمكن نقل مثبطات اللهب إلى البلاستيك عن طريق إضافة مثبطات اللهب المختلفة. حاليًا، هناك العديد من مثبطات اللهب التجارية المتوفرة في السوق. قد يكون اختيار أفضل حل تقني لتطبيق معين أمرًا صعبًا للغاية.
سيساعدك هذا الدليل على فهم كيفية اختيار مثبطات اللهب المناسبة لتطبيقك المستهدف ويقدم المعايير التي يجب وضعها في الاعتبار عند اتخاذ الاختيار الصحيح.

1. دور مثبطات اللهب في البلاستيك
نظرًا لطبيعتها العضوية، غالبًا ما تعمل البوليمرات كوقود في الحرائق، وتتحلل إلى منتجات قابلة للاحتراق عند تسخينها. على الرغم من مزاياها العديدة، فإن قابلية البوليمرات للاشتعال تحد من تطبيقاتها في العديد من المجالات مثل الكهرباء والإلكترونيات والنقل والبناء.

ثانيا. أنواع مثبطات اللهب (الجزء الأول)
هناك عدة فئات كيميائية رئيسية لمثبطات اللهب المستخدمة مع البوليمرات، على سبيل المثال:

• مثبطات اللهب المهلجنة (بما في ذلك المركبات المبرومة والمكلورة)

• مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور (بما في ذلك مركبات الفوسفور العضوية والفوسفور الأحمر)

• مثبطات اللهب هيدروكسيد المعادن (بما في ذلك هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم)

• مثبطات اللهب القائمة على الميلامين

• مثبطات اللهب القائمة على السيليكون

وبصرف النظر عن هذه الفئات الكيميائية، هناك مثبطات اللهب الأخرى التي يمكن دمجها في البوليمرات. ويمكن تصنيفها على أنها مثبطات اللهب المضافة والتفاعلية. قد يؤثر هذان النوعان على خصائص مماثلة (مثل اللزوجة والمرونة والكثافة وما إلى ذلك) في البوليمرات المختلفة. يسرد الجدول أدناه بعض خصائص مثبطات اللهب المضافة والتفاعلية.

1. مثبطات اللهب المبرومة
مثبطات اللهب المبرومة (BFRs) هي الفئة الأكثر استخدامًا من مثبطات اللهب اليوم. هذا النوع من مثبطات اللهب متعدد الاستخدامات، ويوفر أفضل توازن بين أداء مثبطات اللهب، والخواص الميكانيكية، وقابلية المعالجة، والتكلفة.
يتم إنتاج مثبطات اللهب المبرومة الصناعية عن طريق معالجة البيسفينول أ بالبروم. ويتم هذا التفاعل في وجود مذيب، على سبيل المثال:

• الميثانول أو الهيدروكربونات المهلجنة

• 50% حمض الهيدروبروميك

• أحاديات الألكيل المائية

يساعد الجمع بين مثبطات اللهب المبرومة والمعادن على تحسين الخواص الميكانيكية، وتقليل عتامة وتآكل الدخان الناتج أثناء الاحتراق، ويساعد على تخفيف المخاطر البيئية الناجمة عن دخان الحرق. إنها توفر حلولاً فعالة تلبي المتطلبات التنظيمية وتقدم أداءً ممتازًا للمنتجات.

2. مثبطات اللهب المكلورة
المركبات المكلورة هي جزيئات تحتوي على تركيز عالٍ من الكلور، وتعمل بشكل أساسي كيميائيًا في الطور الغازي. يتم استخدامها عادة مع ثالث أكسيد الأنتيمون كمتآزر.
يمكن تقسيم المركبات المكلورة على نطاق واسع إلى فئتين رئيسيتين:

• البارافينات المكلورة

• فوسفات الألكيل المكلورة

هناك العديد من المعلمات التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار المركبات المكلورة، بما في ذلك محتوى الكلور، والاستقرار الحراري، والتطاير، والشكل المادي.

البارافينات المكلورة:
التركيب العام للراتنجات المكلورة هو:

C _× H(2x+2-y) Cl _y

اعتمادا على طول سلسلة البارافين، تتوفر العديد من منتجات الراتنج المكلورة. يتم إنتاج الدرجات السائلة من البارافينات قصيرة السلسلة، في حين يتم إنتاج الدرجات الصلبة التي تحتوي على 70-72٪ من الكلور من الشموع ذات الوزن الجزيئي العالي.
التطبيق الرئيسي للبرافينات المكلورة هو كمادة ملدنة للـ PVC المرن مع DOP أو DINP، المستخدمة في الأرضيات، والكابلات، وما إلى ذلك، لتحسين خصائص مثبطات اللهب.
تُستخدم الدرجات الصلبة التي تحتوي على نسبة عالية من الكلور في اللدائن الحرارية، على سبيل المثال، جنبًا إلى جنب مع ثالث أكسيد الأنتيمون لتغليف كابلات CTI في البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE).

فوسفات الألكيل المكلور:
الجزيء الأكثر شيوعًا هو:

تُستخدم هذه المنتجات بشكل رئيسي في رغاوي البولي يوريثان الصلبة والمرنة، مع تركيزات إضافة نموذجية تتراوح من 5% إلى 15%، اعتمادًا على كثافة الرغوة وشدة الاختبار. أمثلة على معايير تثبيط اللهب التي يمكن تحقيقها باستخدام منتجات الفسفور المكلور: الرغوة المرنة BS4735، الرغوة الصلبة BS 476، NFP92-501، DIN 4102.

مركبات الحلقية المكلورة :

دوديكا كلورو ثنائي ميثانوديبنزو سيكلوكتان هو جزيء متاح تجاريا. وتشمل مزاياها الرئيسية ما يلي:

• مقاومة درجات الحرارة العالية (تصل إلى 320 درجة مئوية)

• مقاومة جيدة للشيخوخة للأشعة فوق البنفسجية

• منتج غير ملدن

• يعمل كحشو غير قابل للذوبان ولا يزهر

• قيمة CTI أكبر من 400 درجة مئوية في النايلون المقاوم للهب

• توليد دخان منخفض

• كثافة منخفضة وفعالة من حيث التكلفة

يمكن استخدام هذا المنتج في العديد من البوليمرات، بما في ذلك البولياميدات والبولي أوليفينات والبولي بروبيلين ، ويمكن دمجه مع مواد متآزرة مختلفة مثل ثالث أكسيد الأنتيمون وبورات الزنك.

3. مثبطات اللهب العضوية القائمة على الفوسفور
تعتبر مركبات الفسفور العضوية إحدى فئات مثبطات اللهب الرئيسية لللدائن الحرارية ورغاوي البولي يوريثان، بما في ذلك بشكل رئيسي الفوسفات والفوسفونات. ويمكن أن تشتمل أيضًا على مركبات الفوسفور-هالوجين ومخاليط الفوسفور مع مثبطات اللهب المهلجنة (مثبطات اللهب المبرومة). غالبًا ما تحتاج السبائك البلاستيكية الحرارية مثل PC/ABS وPPO/HIPS إلى تلبية معايير تثبيط اللهب الصارمة مثل UL94 V0. تعمل مثبطات اللهب القائمة على الفوسفات بشكل جيد في هذه الراتنجات وتوفر خصائص فيزيائية جيدة واستقرار للأشعة فوق البنفسجية.
في العديد من التطبيقات، تحتاج رغاوي البولي يوريثان الصلبة والمرنة إلى إظهار درجة معينة من تثبيط اللهب لاجتياز اختبارات القابلية للاشتعال الوطنية المحددة. تُستخدم مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور (سواء المهلجنة (الفوسفات المكلورة) أو غير المهلجنة) على نطاق واسع في هذه التطبيقات وتعتبر اختيارات مثالية توفر توازنًا بين قابلية المعالجة الجيدة ومثبطات اللهب والخصائص الفيزيائية. في بعض الحالات، خاصة عند الحاجة إلى حرق منخفض، يتم استخدام مخاليط الفوسفور والبروم.
يمكن لمنتجي رغوة البولي يوريثان الاختيار بين الإضافات التفاعلية، ومثبطات اللهب المهلجنة وغير المهلجنة القائمة على الفوسفور بناءً على التطبيق النهائي، والمتطلبات الأساسية، ومعايير تثبيط اللهب التي يجب الوفاء بها. توفر هذه الخيارات المرونة لتلبية متطلبات السوق فيما يتعلق بالأداء والتوافق والكفاءة والخصائص الفيزيائية وقابلية المعالجة والتكلفة.
هناك العديد من المنتجات في السوق لمثبطات اللهب تعتمد على جزيئات الفوسفات. تشمل بعض المنتجات الشائعة المعتمدة على جزيئات الفوسفات ما يلي:

• ثلاثي فينيل الفوسفات - يمكن استخدامه في خلائط ABS/PC، وPPO والمواد البلاستيكية الهندسية الأخرى، والراتنجات الفينولية.

• فوسفات ثلاثي الكريسيل - يستخدم بشكل رئيسي كمادة ملدنة مثبطة للهب في تركيبات PVC والستيرين. المنتجات التجارية عبارة عن خليط من أيزومرات أورثو وميتا وبارا، ولكن الأيزومر الأورثو شديد السمية ويجب استبعاده قدر الإمكان.

فوسفات ثنائي الأريل:
تشتمل فوسفات ثنائي الأريل المتوفرة تجاريًا على ريسورسينول مكرر (فوسفات ثنائي فينيل) وثنائي فينول أ مكرر (فوسفات ثنائي فينيل).

• RDP - عادة سائل عديم اللون، يستخدم في ABS/PC، PBT، وPPO. بالمقارنة مع فوسفات الأريل أو فوسفات الألكيل، فإن هذه المنتجات تظهر تقلبًا أقل، ومقاومة أعلى للحرارة، وتأثير تلدين أقل. عادة، يلزم 10-15 phr لاجتياز اختبارات تثبيط اللهب التقليدية. عند مستويات الإضافة المنخفضة، يمكن لـ RDP تحسين قابلية معالجة ABS والستيرين لقولبة الحقن ذات الجدران الرقيقة.

• BDP - يشبه RDP، ويستخدم في نفس التطبيقات بمستوى إضافة يبلغ حوالي 20 ساعة. بالمقارنة مع RDP، يوفر BDP ثباتًا أفضل للذوبان وتقلبًا أقل للبوليمر. يتمتع هذا المنتج أيضًا بثبات مائي جيد، وهو أمر مفيد للبوليمرات مثل البولي كربونات.

ألكيل فوسفونات الهيكل
العام للفوسفونات هو:

ثنائي ميثيل ميثيل فوسفونات هو مثبط فعال للغاية للهب بسبب محتواه العالي من الفوسفور. ومع ذلك، فإن التقلبات العالية تحد من استخدامه في البولي يوريثان الصلب والبوليستر المملوء بدرجة عالية.

الفوسفات الحلقي الثنائي أو قليل القسيمات
عادة ما تكون سوائل عالية اللزوجة، مما يجعل من الصعب التعامل معها. تقدم بعض الشركات المصنعة حلول الأصبغة الرئيسية. يمكن استخدام الفوسفونات الحلقية الثنائية في PET بنسبة 6% بالوزن تقريبًا للألياف المقاومة للهب PET وأيضًا في مادة البولي يوريثين الصلبة دون عيوب التطاير.

4. مثبطات اللهب الفسفور الأحمر
يستخدم مصطلح 'الفسفور الأحمر' لوصف أحد المتآصلات للفسفور، والتي يتم الحصول عليها عن طريق تسخين الفوسفور الأبيض بالقرب من 300 درجة مئوية في ظل ظروف خالية من الأكسجين. يختلف اللون من البرتقالي إلى الأرجواني الداكن، اعتمادًا على الوزن الجزيئي وحجم الجسيمات والشوائب.
الفسفور الأحمر هو بوليمر غير عضوي غير متبلور. ومع ذلك، حددت الأشعة السينية وجود عدة أشكال بلورية (محتوى محدود عادة، أقل من 10% وزن). من المعروف أن الفوسفور الأحمر يمكن أن يعمل كمادة مضافة منفردة في البوليمرات المحتوية على النيتروجين و/أو الأكسجين، على سبيل المثال:

يجب استخدام مثبطات لهب الفسفور الأحمر في البولي أوليفينات والستيرينات والمطاط وما إلى ذلك، بالاشتراك مع عوامل النفخ وصانعات الفحم و/أو الهيدروكسيدات غير العضوية.
تُستخدم مثبطات لهب الفوسفور الأحمر عادةً لتلبية متطلبات تثبيط اللهب العالية. وهي لا تنتج أبخرة سامة ولها خصائص كهربائية جيدة (أي قيم CTI عالية) وخواص ميكانيكية. نظرًا لاعتبارات اللون، فهو غير مناسب للمنتجات النهائية البيضاء أو ذات الألوان الفاتحة جدًا ولكنه مناسب للمنتجات النهائية باللون الأسود إلى الرمادي المتوسط.
تتميز مثبطات اللهب ذات الفوسفور الأحمر بثبات حراري عالي، مما يسمح للمنتجات بتحمل درجات حرارة البثق القاسية حتى 320 درجة مئوية دون أن تتحلل أو تطلق مواد خطرة أو تولد بقايا كربونية أو تسبب تآكل معدات البثق.

أعلاه، قمنا بتوضيح أساسيات مثبطات اللهب وقمنا بتفصيل مثبطات اللهب المهلجنة (البروم والكلور) والفوسفورية (الفوسفور العضوي والفوسفور الأحمر) الأكثر استخدامًا في السوق. ولكل منها نقاط القوة والضعف الخاصة به، ويتطلب الاختيار دراسة شاملة لنوع البوليمر، وظروف المعالجة، وأداء المنتج النهائي، والمتطلبات التنظيمية.
في الجزء التالي، سنواصل التعمق في عدة فئات مهمة أخرى من مثبطات اللهب:

• مثبطات اللهب هيدروكسيد المعدن (هيدروكسيد الألومنيوم/المغنيسيوم): ممثلو الطريق الصديق للبيئة الخالي من الهالوجين، كيف يمكن تحقيق التوازن بين الأداء في ظل تحميل حشو عالي؟

• مثبطات اللهب ذات الأساس النيتروجيني (الميلامين): كيف يمكنها تحقيق تثبيط اللهب بكفاءة من خلال آليات متعددة؟

• مثبطات اللهب القائمة على السيليكون ومثبطات النانو: كيف تحقق هذه التقنيات الناشئة اختراقات في الأداء بمستويات إضافة منخفضة؟