Исследование огнестойкости и технологии дымоподавления поливинилхлорида (ПВХ)
Поливинилхлоридная (ПВХ) смола обладает множеством превосходных свойств, таких как хорошая технологичность, отличная изоляция, низкая стоимость, легкая модификация, устойчивость к износу и коррозии, хорошие комплексные механические свойства и длительный срок службы. Он широко используется в различных областях, включая промышленность, сельское хозяйство, транспорт, строительство, связь и здравоохранение. ПВХ-смола сама по себе обладает высокой огнестойкостью и самозатуханием. Изделия из ПВХ без пластификаторов обладают хорошей огнестойкостью: содержание хлора составляет 56%, а предельный кислородный индекс (LOI) достигает 50, что делает его отличным огнестойким материалом. Однако во время обработки и использования в продукцию часто добавляют большое количество пластификаторов для повышения гибкости и долговечности продуктов. К сожалению, введение большого количества пластификаторов значительно снижает его огнестойкость, в результате чего ПВХ теряет свои самозатухающие свойства и становится горючим материалом. Кроме того, как жесткий, так и гибкий ПВХ при горении выделяют большое количество дыма. Этот густой дым содержит множество токсичных и вредных газов, таких как окись углерода, соединения бензола, хлористый водород и т. д., вызывая удушье и снижая способность различать, что в конечном итоге затрудняет способность определять и выбирать пути эвакуации. Это создает загрязнение окружающей среды и угрожает жизни людей, безопасности имущества, формируя серьезную пожарную опасность. Статистика показывает, что 82,5% погибших при пожарах вызваны удушьем токсичными газами, образующимися при горении. Поэтому усиление исследований по огнестойкости и дымоподавлению ПВХ имеет важное практическое значение.
I. Механизм образования дыма поливинилхлорида.
Основными продуктами пиролиза ароматических полимеров являются HCl, полиены, бензол, ароматические соединения, низкомолекулярные олефины и алканы. Эти продукты подвергаются дальнейшему пиролизу с образованием большого количества черного дыма. При горении ПВХ HCl удаляется с образованием сопряженных ненасыщенных углеводородов с двойной связью. В результате разрыва углеродной цепи образуются низкомолекулярные продукты и свободные радикалы. Молекулярная перегруппировка и циклизация образуют бензольные ядра, которые в дальнейшем полимеризуются в смолу с конденсированной ароматической кольцевой структурой. Следовательно, при горении ПВХ выделяет значительное количество черного дыма. В частности, когда в ПВХ вводятся большие количества пластификаторов, молекулы пластификатора участвуют в высокотемпературных химических реакциях промежуточных продуктов, образуя обильное количество черного дыма во время сгорания, что значительно увеличивает выход дыма при горении ПВХ.
II. Обсуждение механизма подавления дыма из ПВХ.
Процесс горения изделий из ПВХ можно разделить на три стадии: разложение продукта при нагревании с образованием горючих газов, сжигание этих газов в кислородсодержащей среде и выделение тепла, поддерживающего горение расплавленного или твердого материала. Следовательно, огнестойкость может быть достигнута путем прерывания одной или нескольких из этих стадий с помощью таких механизмов, как огнестойкость в конденсированной фазе, огнестойкость в газовой фазе, прерывание теплообмена и вспучивающаяся огнестойкость. Огнестойкость в конденсированной фазе включает в себя антипирены, которые задерживают или предотвращают термическое разложение в твердой фазе. Газофазная огнестойкость включает в себя антипирены, которые задерживают или прерывают цепную реакцию горения в газовой фазе. Для прерывания теплообмена используются замедлители, которые отводят часть тепла, образующегося при горении ПВХ, уменьшая поглощенное материалом тепло ниже температуры его разложения, тем самым уменьшая выделение горючих газов и вызывая самозатухание. Вспучивающаяся огнестойкость сочетает в себе механизмы как конденсированной, так и газофазной фазы, при этом реакции в основном происходят в конденсированной фазе, но также включают и газовую фазу.
III. Методы огнестойкости и дымоудаления ПВХ
1. Использование огнезащитных пластификаторов вместо обычных.
Добавление обычно используемых для ПВХ легковоспламеняющихся пластификаторов, таких как диоктилфталат (ДОФ), снижает кислородный индекс ПВХ. Поэтому частичная или полная замена обычных горючих пластификаторов огнестойкими пластификаторами, обычно используемыми для гибкого ПВХ, такими как триарилфосфаты и алкилдиарилфосфаты, является одним из методов улучшения огнестойкости пластифицированных изделий из ПВХ. Однако для достижения лучшего огнезащитного эффекта фосфаты обычно используются в сочетании с другими антипиренами, используя синергетический эффект для повышения эффективности.
2. Использование неорганических добавок.
Неорганические добавки являются одними из наиболее исследованных и применяемых в последние годы антипиренов и дымоподавителей. К ПВХ, в основном, относятся переходные металлы, их оксиды, соли и т. д., такие как соединения меди, молибдена, железа, олова, цинка и свинца.
Ключевые системы включают в себя:
Система магний-алюминий-бор: Al(OH)₃ и Mg(OH)₂ являются наиболее широко используемыми антипиренами во всем мире.
Системы сурьма-висмут и кремний-олово: антипирены на основе сурьмы являются традиционными вариантами. Соединения кремния и олова часто используются в качестве дымоподавителей для ПВХ в сочетании с другими антипиренами.
Медно-цинковая система: обширные исследования показывают, что соединения меди являются высокоэффективными средствами подавления дыма. Соединения медно-цинковой системы обладают такими преимуществами, как высокая огнезащитная эффективность, низкая токсичность и относительно низкая стоимость, что делает эту систему одной из наиболее быстро развивающихся огнезащитных систем.
Система железо-кобальт-никель: соединения железа в основном включают Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₂O₃·H₂O, FeSO₄, соединения кобальта включают Co(acac)₂ (ацетилацетонат кобальта), CoCO₃, соединения никеля включают NiO, Ni(acac)₂, NiC₂O₄.
Система молибден-вольфрам-марганец: соединения молибдена представляют собой в основном его неорганические соли и оксиды, причем MoO₃ (триоксид молибдена) преобладает в шестивалентном состоянии. Соединения марганца включают MnCO₃, Mn₂O₃, MnSO₄.
Система титан-цирконий-ванадий: TiO₂, Zr(acac)₄ (ацетилацетонат циркония) и VO(acac)₂ (ацетилацетонат ванадила) демонстрируют хорошие эффекты подавления дыма.
3. Использование технологии сшивания
Технология сшивания — относительно новый метод, применяемый в последние годы для огнестойкости ПВХ. Такие методы, как облучение, добавление оксидов металлов или добавление пероксидов, могут сшивать полимеры. Синергетический огнезащитный эффект сшивки гибкого ПВХ особенно полезен с практической точки зрения. Повышение огнезащитной эффективности неорганических систем посредством технологии сшивания привлекает все больше внимания и представляет собой новую, потенциально быстрорастущую область в исследованиях огнезащитных материалов.
Таким образом, ПВХ склонен к образованию большого количества черного дыма и токсичных газов во время горения, что представляет значительную угрозу безопасности. Использование таких методов, как огнестойкие пластификаторы, введение неорганических добавок, таких как медь и цинк, а также модификация сшивкой, может эффективно улучшить его огнезащитные и дымоподавляющие свойства. Сочетание нескольких огнезащитных механизмов для достижения синергетического эффекта является ключом к повышению безопасности ПВХ, что имеет большое значение для защиты жизни человека и окружающей среды.
В этой области компания Guangzhou Yinsu Flame Retardant постоянно занимается разработкой эффективных и экологически чистых огнезащитных решений. Их продукт включает в себя T-серию, композит сурьмы и замену ATO T30 , которая может заменить 50%-60%. Эти инновации предоставляют ценные возможности для повышения огнестойкости и дымоподавления ПВХ-материалов при одновременном учете затрат и экологических соображений.
