Каковы последние достижения в области огнезащитных технологий в стране и за рубежом?
Полимерные материалы, один из трех основных материалов наряду с керамическими и металлическими материалами, широко используются практически во всех аспектах работы и жизни человека. Однако большинство полимерных материалов представляют собой полимеры на основе углерода, что делает их легковоспламеняющимися при воздействии открытого огня, что представляет серьезную угрозу для жизни и имущества людей. Поэтому исследование огнезащитных свойств полимеров имеет важное значение.
В зависимости от характеристик горения полимерных материалов можно использовать различные методы для прерывания процесса горения и достижения огнестойкости. В 1930 году была открыта и успешно применена к некоторым полимерным материалам синергетическая огнезащитная система на основе оксида сурьмы и хлорпарафина. В 1950-х годах компания Hooker Chemical Company разработала огнестойкие ненасыщенные полиэфиры, используя реактивные мономеры, содержащие хлорированную фосфорную кислоту. В дальнейшем появились новые реактивные антипирены-мономеры, содержащие бром и фосфор. В 1980-х годах дискуссии о токсичности и экологических проблемах в области огнезащитных средств привели к тому, что безгалогенные, дымоподавляющие и малотоксичные антипирены стали новыми целями развития. С быстрым развитием полимерных материалов исследования огнезащитных технологий и механизмов становятся все более обширными и углубленными. Были исследованы различные огнезащитные технологии, основанные на механизмах прерывания газовой фазы, конденсированной фазы и теплообмена. В последние годы значительное внимание привлекли технологии композитных антипиренов, синергетических антипиренов и макромолекулярных антипиренов. В этой статье представлен обзор последних достижений в области огнезащитных технологий как внутри страны, так и за рубежом.
I. Композитная огнезащитная технология
1. Слоистые двойные гидроксиды (СДГ).
Слоистые двойные гидроксиды (СДГ) представляют собой слоистые неорганические наноматериалы, состав и структура которых аналогичны гидроксиду алюминия (Al(OH)₃, ATH) и гидроксиду магния (Mg(OH)₂, MH). Они сочетают в себе преимущества обоих и не содержат токсичных веществ, что делает их идеальными антипиренами зеленого цвета для подавления дыма. Механизм огнестойкости СДГ включает разложение во время горения на CO₂, H₂O и оксиды металлов. CO₂ и H₂O разбавляют горючие газы и O₂, снижая температуру горения, а оксиды металлов способствуют образованию слоя угля, изолируя O₂ и тепло, тем самым замедляя деградацию субстрата.
2. Нанопористые металлоорганические каркасные материалы (МОФ).
MOF представляют собой пористые органо-неорганические гибридные материалы, образующиеся путем самосборки органических лигандов с ионами или кластерами металлов. Их конструкция гибкая, а структура настраиваемая. Модифицируя органические лиганды или координационные центры металлов, можно получить MOF со специфическими свойствами, что указывает на широкий потенциал применения. Цеолитовые имидазолатные каркасы (ЗИФ), сочетающие в себе преимущества традиционных МОК и цеолитов, образуются путем самосборки переходных металлов с имидазолсодержащими органическими лигандами. Они просты в синтезе, стабильны, имеют регулярные поры, разнообразную структуру и высокую каталитическую активность.
3. Полиэдрические олигомерные силсесквиоксаны (ПОСС).
ПОСС – это новый антипирен на основе силоксана с органо-неорганической гибридной структурой. Он улучшает огнестойкость, одновременно улучшая механические, технологические и термические свойства полимеров. POSS с его гибридными, клеточными и наноструктурными свойствами повышает термическую стабильность, огнестойкость и механические характеристики полимера, одновременно снижая диэлектрическую проницаемость. POSS и его производные, как безгалогенные антипирены, представляют собой основную категорию новых безгалогенных антипиренов и широко используются.
4. Графеновые нанолисты (ГНС).
GNS — это двумерные нанолистовые материалы, состоящие из одного слоя атомов углерода. GNS и их производные демонстрируют превосходные огнезащитные свойства благодаря своим наноэффектам, особенно в сочетании с неорганическими наноматериалами для образования универсальных огнезащитных материалов. По сравнению с традиционными антипиренами на основе углерода (например, графитом, расширенным графитом, окисленным графитом) уникальная двумерная наноструктура GNS обеспечивает более высокую огнезащитную эффективность. По сравнению с углеродными нанотрубками, GNS более экономически выгоден для промышленного применения.
Механизм огнестойкости ГНС и его производных включает:
- Способствует образованию плотных, непрерывных слоев угля во время сгорания, обеспечивая физическую изоляцию.
- Высокая удельная поверхность эффективно адсорбирует легковоспламеняющиеся органические пары или препятствует их выделению и диффузии.
- Активные группы на поверхностях GNS и GO разлагаются и обезвоживаются при низких температурах, выделяя газы, которые поглощают тепло и снижают температуру полимерной матрицы, одновременно снижая концентрацию O₂.
- Взаимодействие с полимерными цепями образует трехмерную сетчатую структуру, предотвращающую стекание расплава и улучшающую огнестойкость.
II. Синергетическая огнестойкая технология
Одним из последних международных исследований в области безгалогенных антипиренов является использование нескольких огнезащитных элементов для компенсации недостатков отдельных элементов, балансирования дозировки, производительности и стоимости антипирена для удовлетворения растущих требований по охране окружающей среды и безопасности. Исследователи тщательно изучили синергетические эффекты различных огнезащитных систем, таких как синергетическая огнестойкость на основе гидроксидов, синергетическая огнестойкость на основе фосфора и азота, синергетическая огнестойкость на основе фосфора и кремния и композитные огнезащитные системы на основе наночастиц.
1. Синергетическая огнестойкость гидроксида металла.
Гидроксиды металлов, в том числе АТН и МГ, являются одними из наиболее экологически чистых антипиренов, поскольку при огнестойкости они не выделяют вредных веществ. Продукты их разложения способны поглощать вредные газы и дым, образующиеся при горении полимеров. Обычные безгалогенные композитные антипирены делятся на слоистые материалы, фосфорсодержащие соединения и оксиды редкоземельных элементов.
2. Фосфорно-азотная синергетическая огнестойкость.
Синергия фосфора и азота стала ключевым направлением исследований и разработок огнезащитных средств на основе фосфора и азота, предлагая экологически чистый и безгалогенный вариант во многих областях. Механизм огнезащиты включает комбинацию огнестойкости в конденсированной и газовой фазах. Во время горения антипирены разлагаются с образованием неорганических кислот, таких как фосфорная кислота или полифосфорная кислота, создавая на поверхности подложки защитный слой, изолирующий воздух. Одновременно они выделяют негорючие газы, такие как аммиак, азот, водяной пар и оксиды азота, блокируя подачу кислорода и обеспечивая огнестойкость. Например, водорастворимые фосфорно-азотные синергетические вспучивающиеся антипирены (PEIPO) для вспененных водой эластичных пенополиуретанов получают с использованием полиэтиленимина и фосфорных промежуточных предшественников.
3. Другие синергетические системы
Алкилгипофосфитные антипирены, известные своей термической стабильностью, высоким содержанием фосфора и отличными огнезащитными свойствами, широко используются, но дороги. Их механические характеристики не идеальны при использовании отдельно, поэтому их часто комбинируют с наночастицами или неорганическими антипиренами. Наиболее широко используются линейные или разветвленные алкилгипофосфиты, причем AlPi применяется в полиэфирах и полиамидах (PA). Например, AlPi и триглицид триэтиленгликоля (TGIC) синергически замедляют горение полиамида 6 (PA6). Когда общая массовая доля AlPi и TGIC составляет 11% при массовом соотношении 97:3, достигается рейтинг UL-94 V-0 и LOI 30,3%. Другой пример включает смешивание полифосфата аммония (APP), гипофосфита алюминия (AHP) и цианурата меламина (MCA) с полипропиленом (PP). Когда общая масса огнезащитного материала составляет 30% при соотношении m(APP):m(AHP):m(MCA) = 4:1:1, достигается идеальная огнестойкость с LOI 33% и рейтингом UL-94 V-0.
III. Макромолекулярная огнезащитная технология
Макромолекулярные антипирены синтезируются путем химического взаимодействия низкомолекулярных антипиренов с образованием макромолекулярных структур, в результате чего образуются соединения, богатые огнезащитными элементами, с хорошей совместимостью с полимерами. Например, неорганически-органический гибридный макромолекулярный антипирен - гекса[4-(N-фениламино-ДОФО-метилен)фенокси]циклотрифосфазен (ДОФО-ПЦФ) - синтезируется посредством реакций замещения, конденсации и присоединения для огнестойкости ДГЭБА. Другой пример включает введение затрудненных аминогрупп с функцией улавливания свободных радикалов в вспучивающиеся антипирены (IFR) для создания нового макромолекулярного вспучивающегося антипирена (HAPN), который используется вместе с APP для огнезащиты ПП.
Антипирены значительно изменились с широким применением полимерных материалов. По мере роста экологической осведомленности растет спрос на эффективные, нетоксичные, совместимые с полимерами, маломигрирующие и экономичные экологически чистые антипирены. Постоянно появляются новые разновидности огнезащитных материалов и новейшие технологии. Синергетические и макромолекулярные огнезащитные технологии развиваются в сторону повышения эффективности, снижения токсичности и экологичности. Будущие направления исследований включают сверхтонкий дизайн, микроинкапсуляцию, синергетические комбинации различных антипиренов, структурный дизайн макромолекулярных огнезащитных материалов и технологии модификации поверхности полимерных огнезащитных материалов. Учитывая продолжающийся прогресс в исследованиях, огнезащитные средства готовы к активной разработке.
Компания YINSU Flame Retardant New Material Co., Ltd. добилась замечательных результатов в области огнезащитных материалов. Его огнезащитный состав с красным фосфором, покрытый микрокапсулами, использует оригинальный процесс многослойного покрытия микрокапсул, который характеризуется высоким содержанием фосфора, низким количеством добавок, низкой плотностью дыма и т. д., что может значительно снизить стоимость материала и в то же время улучшить дисперсию и совместимость, а также обеспечить ровный и яркий внешний вид материала. Кроме того, композитные антимониевые антипирены компании YINSU Flame Retardant Company, такие как серия T , не только сохраняют огнезащитный эффект традиционного триоксида сурьмы, но также значительно снижают стоимость сырья, обладают отличными технологическими характеристиками и соблюдением экологических требований, подходят для широкого спектра пластиковых подложек и широко используются в проводах и кабелях, электронных и электроприборах, а также в автомобильных интерьерах и других отраслях промышленности. Благодаря таким преимуществам, как высокая эффективность огнестойкости, соответствие экологическим требованиям и оптимизация затрат, эти продукты стали идеальным выбором для многих отраслей промышленности, желающих повысить огнестойкость своей продукции.
