Какие существуют типы неорганических антипиренов?

Неорганические антипирены — это класс антипиренов, содержащих минералы, которые добавляются в такие материалы, как пластмассы, резина, краски и кабели. Эти типы антипиренов появились как замена галогенсодержащим химикатам, традиционно используемым промышленностью.

Наиболее заметным аспектом этих соединений является их экологичность при контакте с огнем. Галогенсодержащие антипирены при реакции с огнем выделяют очень вредные вещества, в то время как неорганические антипирены производят минимальное количество дыма и выделяют только безвредные вещества, такие как вода. Они также чрезвычайно доступны по цене и поэтому широко используются в промышленных масштабах благодаря современным требованиям безопасности, которые регулируют количество дыма и уровень токсичности в помещениях.

В этой статье подробно описываются различные неорганические антипирены, объясняется принцип их действия и даются рекомендации по их компаундированию.

Среди всех видов неорганических антипиренов наиболее широко используются гидроксиды металлов. К ним относятся гидроксид алюминия, также известный в промышленности как тригидрат алюминия (ATH), и гидроксид магния (MDH). Оба они работают за счет охлаждения, но могут применяться в различных производственных процессах из-за их неспособности выдерживать высокие температуры.

Гидроксид алюминия относительно недорог и поставляется в виде белого кристаллического порошка. При нагревании до 200°C-220°C он вызывает эндотермическую реакцию, что означает, что он поглощает много энергии от горящего пламени. В ходе процесса он выделяет пар. Этот пар помогает снизить воспламеняемость газов, а оксид алюминия защищает материал от возгорания, создавая тонкую пленку на его поверхности. Благодаря низкой температуре разложения он подходит для полимеров с низкими температурами переработки, таких как ПВХ, ПЭ и резина.

MDH основан на той же концепции, хотя MDH демонстрирует очень высокую термическую стабильность. Соединение не начинает отдавать свое связанное содержание воды до достижения температуры 340°C. Поэтому оно идеально подходит для использования в инженерных термопластах, таких как ПП или нейлон, благодаря их высокой термической стабильности.

Как АТГ, так и МДГ широко используются в изоляции проводов и кабелей, строительных материалах и электронике благодаря их превосходным свойствам подавления дыма. Однако, поскольку они полагаются на физическое выделение воды для борьбы с огнем, они требуют высоких уровней загрузки — часто составляя от 50% до 65% от общего веса компаунда.

При использовании этих материалов в больших количествах, минералы без покрытия создадут плохую совместимость, что приведет к хрупкости пластиков, а также к значительному снижению их прочности на растяжение. Для решения этой проблемы производители используют только минералы с поверхностным покрытием. Применение силанов или жирных кислот в качестве покрывающих агентов помогает обеспечить хорошую совместимость наполнителя с пластификатором.

Когда простые гидроксиды металлов не удовлетворяют строгим противопожарным стандартам, или когда высокое использование этих добавок компрометирует производительность материала, химики обратились к другим неорганическим антипиренам. Такие материалы иногда могут работать по химическим механизмам, таким как обугливание, или служить усилителями производительности.

В отличие от охлаждающего эффекта гидроксидов, красный фосфор и APP оказывают свое влияние посредством реакций конденсации и создают изоляционный слой, действуя физически. После развития пожара эти фосфорные материалы взаимодействуют с деградировавшим полимерным материалом и создают на его поверхности толстый углеродистый коксовый слой. Этот слой служит тепловым барьером, предотвращая доступ кислорода к горящему пластику и выход паров топлива в зону пламени. APP часто используется в качестве компонента вспучивающихся материалов (тех, которые расширяются при нагревании), в то время как микрокапсулированный красный фосфор является превосходным антипиреном для электронных применений.

Борат цинка является многофункциональной добавкой, обычно используемой в качестве вспомогательного компонента, а не самостоятельного антипирена. При нагревании примерно до 290°C он выделяет кристаллизационную воду, но его основная сила заключается в формировании стекловидного, богатого бором слоя на горящей поверхности. Этот стекловидный слой стабилизирует уголь, предотвращает капание и действует как исключительный ингибитор дымообразования. Его часто используют в сочетании с гидроксидами металлов для улучшения контроля тления — это означает, что он предотвращает тление материала после того, как открытое пламя потушено.

Триоксид сурьмы сам по себе не обладает сильными огнезащитными свойствами. Вместо этого он функционирует как синергист, то есть усиливает действие других добавок. При сочетании с галогенированными соединениями или определенными неорганическими системами он вступает в газофазные реакции, которые агрессивно гасят свободные радикалы в пламени. Это позволяет производителям достигать высоких показателей пожарной безопасности при использовании меньшей общей концентрации добавок.

При работе с этими вторичными добавками критически важной переменной является распределение частиц по размерам. Мелкодисперсные сорта (обычно менее 2,5 микрон) обеспечивают большую площадь поверхности, что значительно повышает огнестойкость и гарантирует гладкую поверхность экструдированных деталей. Однако очень мелкие порошки имеют естественную тенденцию к комкованию во время смешивания. Для обеспечения равномерного диспергирования в полимерной матрице необходимо использовать оборудование для компаундирования с высоким сдвигом.

Успешная интеграция неорганических антипиренов в производственную линию требует баланса между стандартами пожарной безопасности, целостностью материалов и стоимостью.

Самый первый шаг — это соответствие термической стабильности антипирена температуре расплава вашего полимера. Попытка экструдировать профиль из полипропилена при 240°C с использованием стандартного ATH приведет к разложению добавки внутри экструзионного цилиндра, что испортит партию из-за пузырьков пара. Для высокотемпературных применений необходимо использовать марки MDH или борнокислого цинка, рассчитанные на температуру до 300°C. И наоборот, для низкотемпературных оболочек кабелей из ПВХ экономически эффективный ATH очень эффективен.

Основным ограничением при использовании минеральных антипиренов является большое количество, которое необходимо добавить для соответствия строгим критериям, таким как стандарты испытаний UL 94 V-0. Добавление 60% минерального порошка в сыром виде в полимерную композицию приводит к высокой вязкости расплава, что влечет за собой высокие требования к давлению во время производства и низкое удлинение при разрыве продукта. Эту проблему можно решить, используя один из следующих трех методов:

Практический совет: При использовании высокоэффективных синергистов, таких как SF-600, убедитесь, что добавка тщательно предварительно смешана с другими вспомогательными веществами перед смешиванием со смолой. Это обеспечивает равномерное распределение и стабильную огнестойкость по всей партии.

Несмотря на все упомянутые трудности, неорганические соединения очень ценны при массовом производстве различных материалов, таких как строительные панели, автомобильные детали или кабели для транспортных систем. Они обеспечивают достаточно стабильную стоимость материалов и помогают предотвратить возможные запреты на готовую продукцию, связанные с галогенированными веществами. Очень важно всегда тестировать свои формулы в небольших партиях и заранее настраивать крутящий момент экструзии и механические свойства.

Неорганические антипирены являются очень безопасным и экологически чистым средством повышения огнестойкости изделий. С помощью различных природных явлений, таких как эндотермическое поглощение тепла, разбавление паром и создание защитных слоев, эти материалы обеспечивают защиту изделий без использования галогенов. Производители полимеров должны очень тщательно подбирать ингредиенты для производства безопасных и конкурентоспособных продуктов.

Каждая матрица и производственный процесс имеют свои особенности. Не стесняйтесь связаться с нашей технической командой сегоднядля технических описаний продуктов, образцов или разработки специальных рецептур для ваших продуктов.