​حلول مثبطات اللهب للمواد البلاستيكية المعدلة (الجزء الثاني): الفئات السائدة الخالية من الهالوجين + تكنولوجيا النانو الناشئة

حلول مثبطات اللهب للمواد البلاستيكية المعدلة (الجزء 2): الفئات الخالية من الهالوجين + تكنولوجيا النانو الناشئة

في حلول مثبطات اللهب للمواد البلاستيكية المعدلة (الجزء 1): ميزات المنتج + سيناريوهات التطبيق، الموضحة في مقال واحد، , قدمنا ​​الوظائف الأساسية والتصنيفات الرئيسية لمثبطات اللهب، وقدمنا ​​تحليلًا متعمقًا لمثبطات اللهب السائدة القائمة على الهالوجين (البروم والكلور) والفوسفور (الفوسفور العضوي والفوسفور الأحمر). تعتبر هذه التقنيات التقليدية لمثبطات اللهب ناضجة وذات كفاءة عالية، مما يجعلها الخيار المفضل للعديد من التطبيقات عالية الأداء.

ومع ذلك، مع تشديد اللوائح البيئية وزيادة طلب السوق على مواد خالية من الهالوجين ومنخفضة السمية ومنخفضة الدخان، فإن مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين الممثلة بهيدروكسيدات المعادن والأنظمة القائمة على السيليكون، إلى جانب تقنيات مثبطات اللهب النانوية الناشئة، تلعب دورًا متزايد الأهمية.

اليوم، سنواصل الرحلة، مع التركيز على أنواع مثبطات اللهب المميزة مثل هيدروكسيدات المعادن، والأنظمة القائمة على الميلامين، ومثبطات اللهب القائمة على السيليكون، والجرافيت القابل للتوسيع. سوف نتعمق في آليات العمل الفريدة الخاصة بهم، ومزايا الأداء، وتوجيهات التطبيق المبتكرة، مما يوفر لك مرجعًا أكثر شمولاً لاختيار المواد الخاصة بك.

أنواع مثبطات اللهب (الجزء الثاني)

1. مثبطات لهب هيدروكسيد المعدن
هيدروكسيدات المعدن هي العائلة الأكثر استخدامًا لمثبطات اللهب الخالية من الهالوجين. تستخدم هذه المركبات المعدنية في:

• البولي أوليفينات

• اللدائن الحرارية

• كلوريد البوليفينيل (PVC)

• المطاط

• البلاستيك بالحرارة

• بعض البوليمرات الهندسية (مثل البولياميدات)

أنها توفر تركيبات مثبطات اللهب التي تلبي المعايير المناسبة للعديد من التطبيقات. تتميز منتجات الاحتراق الناتجة عن هذه التركيبات بعتامة منخفضة وسمية منخفضة والحد الأدنى من التآكل. يوفر التركيب مع هيدروكسيدات غير عضوية طريقة فعالة من حيث التكلفة لتحقيق تركيبات مثبطات اللهب منخفضة الدخان.

علاوة على ذلك، من السهل التعامل مع الهيدروكسيدات غير العضوية وغير سامة نسبيًا. نظرًا للاعتبارات المتعلقة بالتأثير البيئي طويل المدى، تحل العديد من الهيدروكسيدات غير العضوية، مثل هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم، محل مثبطات اللهب المهلجنة والفوسفور.

هيدروكسيد الألومنيوم (ATH)
هيدروكسيد الألومنيوم هو أكبر هيدروكسيد غير عضوي حجمًا يُباع كمثبط للهب. تتم معالجة ATH عند درجات حرارة أقل من نقطة التحلل (190-230 درجة مئوية، اعتمادًا على حجم الجسيمات). يتم استخدامه كمثبط للهب في اللدائن المرنة والراتنجات الحرارية واللدائن الحرارية المعالجة تحت 200 درجة مئوية.

ATH الذي يتم الحصول عليه عبر عملية Bayer هو عبارة عن gibbsite بحجم جسيم يتجاوز 50 ميكرومتر، والذي يمكن إعادة إذابته وإعادة ترسيبه لإنتاج ATH بدرجة نقاء أعلى. يمكن أن تؤدي التعديلات على هذه العملية إلى تقليل الحديد أو السيليكا أو الشوائب الصلبة المتبقية.

يمكن تصنيفها إلى هيدرات أرضية (بيج إلى أبيض، تحتوي على سيليكات الصوديوم، شوائب حديد، 1.5 إلى 35 ميكرومتر) وهيدرات مترسبة دقيقة (أبيض، مشرق، نقي، 0.28 إلى 3 ميكرومتر). الاختلافات الرئيسية بين درجات ATH المختلفة تكمن أساسًا في حجم الجسيمات والمعالجة السطحية.

الغرض من معالجة السطح هو تعزيز واحدة أو أكثر من الخصائص الميكانيكية المحددة، مثل الاستطالة عند الكسر. تُستخدم الأحماض الدهنية أو ستيرات المعدن بشكل شائع كمعالجات سطحية لـ ATH أو MH للحد من التكتل الإضافي وتحسين أداء EB في تطبيقات الأسلاك والكابلات. هناك أيضًا معالجات سطحية تعتمد على السيلان، مع بدائل غير تفاعلية (ألكيل) ومتفاعلة (فينيل، أمينو، إيبوكسي، ميثاكريلويل). ويعتمد نوع البديل التفاعلي على البوليمر الذي يُستخدم فيه مثبط اللهب. عادةً ما يتم تطوير المعالجات السطحية للسيلان، نظرًا لارتفاع تكلفتها مقارنة بالأحماض الدهنية، لتطبيقات محددة. تشمل المعالجات السطحية الأخرى تلك التي تركز على الفوسفور والتيتانيوم والزركونيوم بدلاً من السيليكون. التيتانات والزركونات لها تطبيقات محددة وتكون بشكل عام أكثر تكلفة من السيلان.

هيدروكسيد المغنيسيوم (MDH)
هيدروكسيد المغنيسيوم هو مثبط لهب غير عضوي أكثر استقرارًا من الناحية الحرارية، ومستقر فوق 300 درجة مئوية، ويستخدم في العديد من اللدائن والراتنجات، بما في ذلك اللدائن الهندسية والمواد الأخرى المعالجة في درجات حرارة أعلى.

يتم إنتاجه باستخدام عمليات مختلفة من الخامات الحاملة للمغنيسيوم (مثل المغنسيت أو الدولوميت أو السربنتين) وكذلك من المحاليل الملحية ومياه البحر. يمكن استخدام بعض الخامات مثل البروسيت والهيدروماجنسيت والأرتينيت مباشرة كمثبطات للهب أو تحويلها إلى MDH.

العمليات الثلاث المختلفة لإنتاج MDH هي: عملية مياه البحر والمحلول الملحي، وعملية Aman، وعملية Magnifin®.

MDH المستخدم كمثبط للهب عادة ما يكون عالي النقاء (> 98.5٪)، وغالبًا ما يكون مشتقًا من مياه البحر أو الماء المالح. على الرغم من أنه منتج مشتق من الخام، إلا أنه يمكن أيضًا تحقيق درجة نقاء عالية.

معظم درجات مثبطات اللهب من MDH عبارة عن مساحيق بيضاء ذات حجم جسيم متوسط ​​يتراوح بين 0.5 و5 ميكرومتر. وتتراوح مساحة السطح المحددة بين 7 و15 م⊃2;/جم، اعتمادًا على شكل الجسيمات وحجمها. كما هو الحال مع ATH، يتم استخدام MDH عند الأحمال العالية، عادةً ما بين 50% و70%. ينبع حجم الاستخدام الأصغر لـ MDH كمثبط للهب من سعره الأعلى مقارنة بالصف المترسب ATH.

مثبطات اللهب المعتمدة على الميلامين
تمثل مثبطات اللهب المعتمدة على الميلامين شريحة صغيرة ولكنها سريعة النمو من سوق مثبطات اللهب. توفر هذه المنتجات مزايا خاصة مقارنة بمثبطات اللهب الموجودة: الفعالية من حيث التكلفة، وانخفاض كثافة الدخان والسمية، وانخفاض التآكل، والتعامل الآمن، والملاءمة للبيئة.

ضمن هذه العائلة من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، يمكن تمييز ثلاث مجموعات كيميائية:

• الميلامين النقي.

• مشتقات الميلامين (أي الأملاح المتكونة من أحماض عضوية أو غير عضوية، مثل حمض البوريك، أو حمض السيانوريك، أو حمض الفوسفوريك، أو أحماض البيرو/الفوسفوريك).

• متجانسات الميلامين، مثل الميلم، والملام، والبطيخ.

تُظهر مثبطات اللهب القائمة على الميلامين أداءً ممتازًا لمثبطات اللهب وتعدد الاستخدامات نظرًا لقدرتها على استخدام أوضاع متعددة لمثبطات اللهب.

حاليًا، مجالات التطبيق الرئيسية لمثبطات اللهب المعتمدة على الميلامين هي:

• رغوة البولي يوريثان المرنة.

• الطلاءات المنتفخة.

• البولياميدات.

• البولي يوريثان الحراري.

ومن خلال البحث المستمر وتطوير التطبيقات، سوف يتوسع سوق مثبطات اللهب القائمة على الميلامين، ويتجه نحو البولي أوليفينات والبوليستر البلاستيكي الحراري في المستقبل القريب.

2. مثبطات اللهب ذات الأساس السيليكوني
يمكن لمثبطات اللهب ذات الأساس السيليكوني أن تولد طبقة سطحية واقية أثناء الحريق، وذلك بفضل معدل إطلاق الحرارة المنخفض. يُذكر أن المحتوى المنخفض من السيليكون في بعض أنظمة البوليمر العضوية يمكن أن يحسن أداء LOI وUL-94.

تحتوي بعض السيليكات المركبة (نوع بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان) على مساحيق جافة لمختلف أنواع البلاستيك العضوي. في البوليسترين، يمكن أن تؤدي إضافة نسبة منخفضة تصل إلى 1% إلى 3% إلى تقليل معدل إطلاق الحرارة بنسبة 30% إلى 50%. تم الإبلاغ عن تحسينات مماثلة في HIPS، ومزيج PS، وPP، وEVA.

تشير الأبحاث التي أجريت على مادة البولي يوريثان المعدلة بالسيليكون إلى انخفاض معدلات إطلاق الحرارة في هذه المواد مقارنة بالبولي يوريثان غير المعدل. والآلية المقترحة هي كما يلي:

• عند الاحتراق، تتشكل طبقة من السيليكا على سطح المادة، والتي تعمل بمثابة عازل حراري، مما يمنع ارتجاع الطاقة إلى الركيزة عن طريق إعادة إشعاع تدفق الحرارة الخارجي.

توفر مثبطات اللهب الجديدة القائمة على السيليكون للبولي كربونات وراتنجات PC/ABS خصائص ميكانيكية جيدة وأداء مثبطات اللهب العالي، بما في ذلك القوة وقابلية التشكيل وUL-94 1/16 بوصة V-0 (عند تحميل 10 مرات في الساعة). تم تقييم كلا النوعين الخطي والمتفرع من السيليكون مع (هيدروكسي أو ميثوكسي) أو بدون (هيدروكربون مشبع) المجموعات التفاعلية الوظيفية. تعتبر السيليكونات ذات الهياكل المتفرعة والمجموعات العطرية في السلسلة والمجموعات النهائية غير التفاعلية فعالة للغاية. في هذه الحالة، يتفرق السيليكون في راتينج البولي كربونات وقد ينتقل إلى السطح أثناء الاحتراق، مما يشكل حاجزًا عالي المقاومة للهب.

3. الجرافيت القابل للتوسيع
يوفر الجرافيت القابل للتوسيع تثبيطًا جيدًا للهب عند مستويات التحميل المنخفضة ويمكن استخدامه في كل من الراتنجات البلاستيكية الحرارية والراتنجات الحرارية. يمكن استخدام الجرافيت القابل للتوسيع بمفرده في البوليمرات المكونة للفحم بشكل طبيعي (PA، PU، PVC)، ولكن غالبًا ما يتم دمجه مع مثبطات اللهب الأخرى مثل الفوسفات، أو مركبات البورون، أو ثالث أكسيد الأنتيمون، أو هيدروكسيد المغنيسيوم لتشكيل ركيزة قوية بما يكفي لدعم حاجز الجرافيت القابل للتوسيع. يمكن أيضًا استخدام الجرافيت في مادة PP النانوية.

4. طبقات النانو
يمكن أن تقلل طبقات النانو من إطلاق الحرارة النسبية، وتعزز تكوين الفحم السطحي، وتخلق تأثيرًا مضادًا للتنقيط، وتقلل من توليد الدخان. في التركيبات الخالية من الهالوجين، تسمح الطبقات النانوية بتقليل كميات مثبطات اللهب المعدنية. في الأنظمة المهلجنة، فإنها تقلل من كمية مثبطات اللهب المبرومة أو ATO المطلوبة، مما يوفر كثافة أقل، وازدهارًا أقل، وخصائص ميكانيكية أفضل.

5. أنابيب الكربون النانوية (CNTs)
تُستخدم أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران تجاريًا لخصائصها المضادة للكهرباء الساكنة، والمعززة للقوة، ومثبطة للهب. وتشمل خصائصها الرئيسية ما يلي: تكوين الفحم بشكل فعال، وتأخير الاشتعال من خلال امتصاص الحرارة، وزيادة اللزوجة مما يساعد على منع التقطير، وليس تعزيز إزالة البلمرة. من المتوقع أن تجد الأنابيب النانوية الكربونية تطبيقات في مجال الإلكترونيات، حيث يمكنها توفير خصائص مقاومة للكهرباء الساكنة ومثبطات اللهب في وقت واحد.

6. البوليمرات الهجينة متعددة السطوح قليلة القسيمات (POSS)
المعتمدة على POSS محددة جيدًا جزيئيًا بحجم النانو ويمكن تشغيلها مع مجموعات تفاعلية مناسبة لتوليف هجينة عضوية وغير عضوية جديدة. تم دمج POSS بنجاح في البوليمرات الشائعة عن طريق البلمرة المشتركة أو التطعيم أو المزج.

يمكن أن يؤدي تصنيع أقفاص POSS، والمونومرات المحتوية على أقفاص POSS، ونوى POSS-dendrimer، والبوليمرات المحتوية على POSS، ومركبات POSS النانوية إلى تحقيق خصائص محددة، مثل:

• ميكانيكية.

• الحرارية.

• مثبطات اللهب.

• لزج مرن.

يتم استخدامها تجاريًا كعوامل تآزرية مثبطة للهب في الراتنجات الفينولية، ومعدات الحماية الشخصية، وCOC. تتمثل الميزة الرئيسية لـ POSS في دورها كعامل تآزر منتفخ ومساعد تشتيت لمثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، مما قد يسمح بتحميلات أعلى من HFFR من خلال تحسين قابلية التدفق.

7. المركبات النانوية من البوليمر والطين
إن المركبات النانوية من البوليمر والطين عبارة عن مواد هجينة من البوليمر العضوي وغير العضوي ذات طبقات ذات خصائص فريدة من نوعها قابلة للاشتعال مقارنة بالبوليمرات المملوءة تقليديًا. البولي أميد 6 والبوليسترين والبولي بروبيلين هي بعض البوليمرات المستخدمة مع الطين.

8. البوليمرات مفرطة التفرع (HBPs)
تفتح البوليمرات مفرطة التفرع، بفروعها العديدة المرتبة، طرقًا أمام الإضافات عالية الأداء. ويمكن تحضيرها من مونومرات من النوع 'المتفرع' من النوع AxBy، حيث يمثل A وB مجموعات وظيفية يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض ولكن ليس مع نفسها. بالنسبة لأبسط مونومر AB2، يكون هيكل البوليمر الناتج كما هو موضح. وبالنظر إلى مزايا كل من HBPs والمواد المضافة لمثبطات اللهب، يقترح الشكل بعض المسارات الممكنة لتطوير إضافات جديدة لمثبطات اللهب.

Dendrimers هي شكل خاص من HBP، مما يوفر إمكانيات إضافية. تبدأ من نقطة محورية واحدة أو مركز واحد، وينقسم كل فرع إلى فرعين (أو أكثر) آخرين وصولاً إلى الأطراف الوظيفية. يمكنهم استضافة ذرات معدنية لتكوين تغصنات معدنية. يمكن أن يوجد المعدن في الوحدات المتكررة، أو النواة، أو المجموعات النهائية. تعمل الاستضافة المعدنية على توسيع خصائص العناصر المعدنية.

نظرًا لبنيتها، يمكن أن تكون Dendrimers نشطة حتى عند التحميل المنخفض. يقارن الرسم البياني التالي بنيات HBP وdendrimer مع جزيء كبير خطي تقليدي يحتوي على بعض الفروع القصيرة.

يتم إنتاج منتج واحد باستخدام قلب البوليول، وأحماض الهيدروكسي، وتكنولوجيا تعتمد على مواد خاصة. يتم تشكيل البنية التغصنية عن طريق بلمرة نواة محددة مع حمض البروبيونيك 2،2 مكرر (هيدروكسي ميثيل). القاعدة التي تم الحصول عليها عبارة عن بوليستر شجيري وظيفي الهيدروكسيل، أليفاتي بالكامل ويتكون فقط من روابط إستر ثالثية، يُزعم أنه يتمتع بثبات حراري وكيميائي ممتاز.

تشتمل مجموعة واسعة من HBPs المختلفة على بولي أميدات، بولي (أميدو أمين)، بولي يوريا، بولي يوريثان، بوليستر، بولي كربوسيلان، بولي كربوسيلوكسان، بولي كربوسيلازان، مشتقات مشبعة بالفلور للعديد من البوليمرات المذكورة أعلاه، إلخ. هذه البوليمرات مناسبة لتطبيقات الطلاء المتخصصة، بما في ذلك الإضافات البلاستيكية.

الاستنتاج
إن تكرار مثبطات اللهب نحو الخلو من الهالوجين والتقدم في تكنولوجيا مثبطات اللهب وصولاً إلى المقياس النانوي يعني أن المواد المثبطة للهب يمكنها الآن الحفاظ على معايير السلامة مع التخلص من علامة 'التلوث العالي'. ومع ترقية كل من اللوائح البيئية ومتطلبات الأداء، فإن أولئك الذين يتقنون مفاتيح التركيبات الخالية من الهالوجين والمشتت النانوي يمتلكون التمريرة السريعة للمواد البلاستيكية المعدلة لدخول التطبيقات المتطورة. قبل وصول اختبار اللهب التالي، كتبت الصناعة الإجابة بالفعل في مواد مثبطة للهب أخف وزنًا وأرق وأكثر استدامة.