ПП/ПС/ПЭ/ПВХ огнестойкие технологии и советы по применению
Пластмассы общего назначения имеют чрезвычайно широкий спектр применения, охватывая такие ключевые материалы, как полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС) и поливинилхлорид (ПВХ) , которые играют важную роль в широком спектре отраслей промышленности, включая упаковку, автомобильную промышленность, предметы первой необходимости, электронные и электрические компоненты, системы трубопроводов, а также провода и кабели.
Учитывая важность огнезащитной безопасности во всех видах сред, полимерные материалы чрезвычайно пожароопасны при высоких температурах, сопровождающихся выделением большого количества токсичных газов, что не только представляет серьезную угрозу природной среде, но и серьезно угрожает жизни, здоровью и качеству жизни людей. Поэтому решение проблемы огнезащитной безопасности полимерных материалов стало ключевым вопросом, требующим срочного решения.
Как профессионал в области материаловедения, изучение тайны огнезащитного механизма и участие в исследованиях, разработке и применении новых огнезащитных материалов не только важны для содействия социальному научно-техническому прогрессу, но также необходимы для защиты экономической безопасности страны и улучшения качества жизни людей.
Общие характеристики горения и идентификация пластмасс:
Полипропиленовые (ПП) материалы , полученные в результате полимеризации только мономера пропилена с образованием гомополимера ПП или сополимеризации пропилена и небольшого количества этилена с образованием сополимера ПП, демонстрируют очень регулярную структуру и значительные кристаллические свойства. Имея температуру плавления около 167°C и низкую плотность, ПП является одним из самых легких пластиков общего назначения и широко используется в производстве корпусов бытовой техники, внутренних и наружных декоративных деталей автомобилей, а также электрических и электронных компонентов из-за его превосходной поверхностной жесткости и сопротивления усталости при изгибе.
Что касается характеристик горения ПП , то это легковоспламеняющийся материал с низким кислородным индексом около 17%, а это значит, что для его горения не требуется высокая концентрация кислорода. При горении ПП выделяет большое количество тепловой энергии, пламя быстро распространяется, а СН-компонент в его химической структуре с трудом превращается в древесный уголь, в результате чего материал плавится и капает во время горения. Пламя имеет уникальный внешний вид: желтый цвет на верхнем конце и синий цвет на нижнем, и почти не дает черного дыма, сопровождаемого слабым запахом горящей нефти. Особо примечательно, что ПП продолжает гореть даже после того, как его удаляют от источника возгорания, в конечном итоге оставляя черный желеобразный осадок.
Полиэтилен (ПЭ) представляет собой типичный кристаллический полимер, образующийся в результате полимеризации мономеров этилена, с различиями в кристалличности, что приводит к появлению широкого спектра полиэтиленов низкой плотности (ПЭВД), полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП) и линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), содержащих небольшие количества альфа-олефинов и т. д. Полиэтилен хорошо известен своей превосходной устойчивостью к низким температурам и стабилен даже при экстремально низких температурах ниже -70°C, демонстрируя при этом хорошую устойчивость. Полиэтилен известен своей превосходной устойчивостью к низким температурам, даже при экстремально низких температурах ниже -70°C, а также демонстрирует хорошую химическую стабильность и электроизоляционные свойства, а также отличные технологические характеристики. Поэтому полиэтилен широко используется во многих областях, таких как пластиковые упаковочные пакеты, сельскохозяйственная мульча, выдувное формование и изделия для литья под давлением.
Что касается характеристик горения, полиэтилен также легко воспламеняется , его кислородный индекс составляет около 17%. При высоких температурах полиэтилен очень быстро трескается и горит. Подобно полипропилену, CH-структура полиэтилена затрудняет образование углеродного слоя, в результате чего материал плавится и капает во время горения. Пламя имеет характерную форму: желтое вверху и синее внизу, производит небольшое количество черного дыма и характерный запах горящего парафина. Примечательно, что ПЭ продолжает гореть даже после того, как его удаляют от источника возгорания, оставляя в итоге черный горящий осадок.
Полистирол (ПС) представляет собой композиционный материал, полученный в результате сополимеризации бутадиена и стирола, который внутри представляет собой двухфазную сосуществующую систему с содержанием полибутадиена обычно от 5% до 15%. PS предлагает ценовые преимущества по сравнению с материалами ABS, демонстрируя при этом высокую прочность, отличную жесткость и хорошую стабильность размеров. Эти свойства привели к использованию PS в широком спектре применений в потребительских упаковочных материалах, а также в деталях, отлитых под давлением, таких как корпуса бытовой техники.
С точки зрения характеристик горения, полистирол имеет высокую теплотворную способность , а процесс горения очень бурный. При приближении к источнику возгорания PS быстро сжимается, и из-за особенностей его химической структуры трудно сформировать слой древесного угля. Во время горения поверхность PS размягчается и образует пузыри, а пламя приобретает ярко-оранжевый цвет, сопровождаемый густым черным дымом и летящей угольной золой, что указывает на большую плотность дыма. Кроме того, при горении выделяется особый запах мономера стирола. Даже при удалении от источника возгорания PS продолжает гореть и в конечном итоге оставляет черный горящий осадок.
Поливинилхлорид (ПВХ) представляет собой синтетический полимерный материал, тщательно созданный из мономера винилхлорида методом свободнорадикальной полимеризации. Молекулярная цепь состоит из непрерывного ряда звеньев винилхлорида, каждое из которых уникально и содержит атом углерода в качестве ядра, дополненный двумя атомами водорода и атомом хлора в качестве боковых сторон.
Эта уникальная химическая структура придает ПВХ ряд привлекательных физических и химических свойств, которые позволяют ему использоваться в самых разных областях. ПВХ не только демонстрирует превосходную механическую прочность и химическую стабильность, способен противостоять различным химическим веществам, но также, естественно, обладает определенной степенью огнестойкости, кислородный индекс чистого ПВХ достигает 45%, демонстрируя хорошую склонность к самозатуханию. Однако стоит отметить, что в процессе, чтобы улучшить его характеристики, часто добавляют большое количество пластификаторов, что в определенной степени происходит за счет его первоначальных огнезащитных преимуществ, что приводит к увеличению воспламеняемости.
Именно благодаря этим преимуществам ПВХ в производстве строительных материалов, упаковочных материалов, изоляции проводов и кабелей, а также в производстве искусственных кож и других отраслях промышленности занимает решающее положение, становясь одним из незаменимых материалов.
Что касается характеристик горения ПВХ , то его способность к самозатуханию и образованию угля делает процесс горения одновременно сложным и уникальным. При горении ПВХ постепенно размягчается, пламя демонстрирует уникальное изменение цвета: верхний конец желтого и нижний конец зеленого, что сопровождается образованием черного дыма. Кроме того, при горении выделяется раздражающий газообразный хлористый водород, но после удаления из огня ПВХ имеет тенденцию самозатухать, оставляя черный остаток сгорания.
Советы по применению антипиренов для пластиков общего назначения:
Галогенные антипирены, несмотря на проблемы охраны окружающей среды и более высокую плотность дыма, по-прежнему занимают лидирующие позиции на мировом рынке антипиренов благодаря своим высокоэффективным огнезащитным свойствам, богатому разнообразию вариантов и широкой применимости. Бромированные антипирены, в частности, незаменимы по своей высокой эффективности и значимости как лидера в ряду галогенов.
Типичными представителями бромированных антипиренов являются декабромдифениловый эфир, декабромдифенилэтан, тетрабромбисфенол А, бромтриазины, бромированные эпоксидные смолы, бромированный стирол и др., которые играют решающую роль в технологии огнезащитных средств.
А из-за растущей важности защиты окружающей среды негалогенированные антипирены постепенно становятся новым фаворитом в отрасли. К ним относятся неорганические антипирены, такие как гидроксид магния и гидроксид алюминия, антипирены на основе фосфора (в виде красного фосфора, диэтилгипофосфита алюминия, неорганического гипофосфита и фосфатных эфиров), фосфорно-азотные синергетические антипирены (например, полифосфат аммония, полифосфат меламина) и азотные антипирены (например, меламин и его циануронат и т. д.).
Благодаря гибкому применению этих одиночных или составных составов антипиренов пластиковые материалы могут обеспечивать различные уровни огнезащиты и требования к производительности для соответствия стандартам безопасности в различных сценариях применения.
1. Огнестойкий ПП - класс UL V2, выбор программы следующий:
Октабромовый эфир (также известный как октабромсульфид) с системой, введением триоксида сурьмы в качестве синергического антипирена, общее добавление двух соотношений, контролируемых между 6% и 8%, может эффективно реализовать функцию самозатухания материала вдали от огня, хотя в процессе горения будет наблюдаться явление капель плавления, но механические свойства материала все еще сохраняются на относительно стабильном уровне.
В системе компаундирования фосфор-азот-бром для гомополимеризованного ПП количество добавляемого антипирена устанавливается в пределах от 1% до 2%, а для сополимеризованного ПП количество увеличивается до 4-6%. Данная система также реализует самозатухание материала от пожара, но необходимо обратить внимание на явление капания, сопровождающееся горением, и явление воспламенения снятого хлопка. Тем не менее, механические свойства материала в этой системе практически такие же, как у чистого ПП без антипиренов, при этом сохраняются хорошие физические свойства.
Компания YINSU специально разработала два антипирена для класса PPV2: белую маточную смесь для PPV2-6 и черную маточную смесь для огнестойкого материала PPV2-8H для переработанных материалов ПП. Эти два антипирена могут достигать уровня V2 при небольшом количестве добавок 3–10%.
2. Огнестойкий ПП — класс UL стандарта V0, варианты программы следующие:
Синергетическая система бром-сурьма (DBDPE+Sb2O3) способна придать материалу огнестойкость уровня UL-94 V0 при общем добавлении около 25%. Однако такой высокий процент добавок не только увеличивает стоимость материала, но и неизбежно влияет на его механические свойства. Чтобы облегчить эту проблему, часто необходимо ввести добавки, улучшающие совместимость и упрочнители, для оптимизации физических свойств материала или найти экономически эффективный баланс путем добавления наполнителей, таких как тальк.
Для безгалогенных систем IFR, то есть фосфорно-азотных вспучивающихся огнезащитных систем, PPAP-15, добавки в диапазоне от 25% до 30% также могут обеспечить огнестойкость UL 94 V0. Однако аналогичным образом высокие уровни добавок оказывают существенное влияние на механические свойства материала. Поэтому для улучшения общих характеристик материала и соответствия фактическим требованиям применения также необходимы упрочнители и другие вспомогательные добавки.
С другой стороны, хотя система неорганического гидроксида магния (МДГ) в качестве традиционного безгалогенного огнезащитного метода может быть добавлена в больших количествах (не менее 50-60%) для значительного повышения огнестойкости и кислородного индекса ПП, такие высокие добавки, несомненно, серьезно ухудшат механические свойства материала. Чтобы смягчить этот побочный эффект, стратегия, которую можно принять, заключается в использовании его в сочетании с другими антипиренами для поддержания механических свойств материала в приемлемом диапазоне за счет уменьшения количества неорганических антипиренов.
Выбор огнезащитного раствора полиэтилена:
Огнезащитное решение на основе красного фосфора (RP): При огнезащитной обработке полиэтиленовых материалов система красного фосфора признана одним из наиболее эффективных антипиренов. Однако из соображений безопасности фактическое применение в основном осуществляется в виде модифицированной и покрытой маточной смеси красного фосфора, количество добавок которой составляет около 15%, что может обеспечить материалу степень огнестойкости V0 при толщине 1,6 мм в стандарте UL94.
Компания YINSU Flame Retardant разработала различные антипирены на основе красного фосфора для полиэтилена, в том числе FRP-950X, микрокапсулированный антипирен на основе красного фосфора, с добавкой 3–5% для UL94-V0. ПЭГ-14, специально для ПЭ труб.
Синергетическая огнезащитная система на основе бромида сурьмы (DBDPE/Sb2O3): система, содержащая около 25% от общего количества добавок, также может обеспечить соответствие материала стандарту UL-94 толщиной 1,6 мм, требования к огнестойкости V0. Для дальнейшей оптимизации затрат можно добавлять минеральные наполнители в соответствующих количествах. Кроме того, за счет добавления упрочнителя можно эффективно снизить ударную вязкость материала, гарантируя, что материал в огнестойком состоянии в то же время сохраняет хорошую физическую прочность.
Безгалогенная огнезащитная система IFR: Для системы PE следует отметить, что следует избегать использования огнезащитных составов, содержащих APP, чтобы не оказать отрицательного влияния на огнезащитные свойства. Напротив, использование огнезащитного состава на основе фосфора и азота в общей концентрации 25–26% может обеспечить соответствие стандарту UL94 при толщине огнезащитного состава V0 1,6 мм. Стоит отметить, что в данную систему обычно не рекомендуется добавлять минеральный наполнитель, чтобы существенно не повлиять на огнезащитный эффект.
Огнезащитная система на основе неорганического гидроксида магния (MDH) и гидроксида алюминия (ATH): эти два неорганических антипирена при широком использовании (более 60%) могут значительно улучшить кислородный индекс материала до более чем 30 и придать ему характеристики с низкой плотностью дыма, подходящие для нужд в огнезащитных материалах с низким содержанием дыма, не содержащих галогенов. Чтобы еще больше усилить огнезащитный эффект, можно также рассмотреть возможность использования системы красного фосфора (RP) или IFR для компаундирования.
Выбор огнезащитной программы:
Система бром-сурьма: Обычно соотношение брома и сурьмы составляет 3:1. Для полистирола подходят другие бромсодержащие антипирены, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, и в целом они могут соответствовать требованиям огнестойкости, поэтому необходимо выбирать огнезащитную систему в соответствии с характеристиками продукции.
Система IFR/расширяемый графит: Слоистая структура расширяемого графита может образовывать особый тип интеркаляционного соединения. Некоторые исследования показывают, что расширяющийся графит, а также антипирены на основе фосфора и азота могут обеспечить лучший огнезащитный эффект при их совместном использовании.
В компании YINSU огнезащитные средства IFR PPAP-15 и расширяемый графит EG имеют долгосрочное развитие и инновации. Оба предмета могут достичь высокой производительности.
Система IFR+PPO: IFR и полифениленовый эфир выбраны в качестве композитной огнезащитной системы для приготовления огнезащитного полистирола, что может эффективно улучшить огнезащитные характеристики полистирола. PPO обладает очень хорошими показателями углеобразования и имеет хороший синергетический антипиреновый эффект с IFR. Однако из-за плохой устойчивости ППО к УФ-излучению подвижность относительно низкая, что ограничивает возможности применения продуктов.
Неорганическая огнезащитная система гидроксида магния: добавляя большое количество неорганического антипирена гидроксида магния, можно добиться огнезащитного эффекта, также можно смешать с огнезащитным составом из красного фосфора, чтобы получить материалы с более высокой огнестойкостью. Однако из-за добавления большого количества гидроксида магния ударная вязкость материала влияет на необходимость повышения ударной прочности и модификации совместимости для получения желаемых механических свойств.
Программа выбора огнезащитного состава:
Оксиды металлов используются в качестве синергетических усилителей огнестойкости ПВХ. Учитывая, что материалы ПВХ богаты хлором, их огнестойкость можно значительно повысить, добавив в матрицу ПВХ в соответствующих количествах ХПЭ (хлорированный полиэтилен) и оксиды определенных металлов. Из оксидов металлов станнат цинка показывает наилучшие характеристики с точки зрения способности улучшать кислородный индекс материала, за ним следуют Sb2O3 (триоксид сурьмы), октамолибдат аммония и борат цинка, каждый из которых показывает различный градиент огнестойкости.
Замена триоксида сурьмы в компании YINSU, серия T, может полностью заменить сурьму. Не только снизить стоимость, но и сохранить первоначальную производительность.
Неорганические системы гидроксида алюминия и гидроксида магния:
Гидроксид магния и гидроксид алюминия, как неорганические антипирены, не только эффективно снижают количество дыма, выделяющегося из ПВХ-материалов при горении, но и значительно усиливают их огнезащитные свойства и позволяют сократить количество используемых других антипиренов. Эти неорганические минеральные антипирены оказывают глубокое влияние на физическую и механическую прочность, уровень огнестойкости и дымозащитные свойства жесткого ПВХ.
Результаты экспериментов показывают, что твердый гипсовый порошок в качестве армирующего наполнителя значительно улучшает кислородный индекс ПВХ-материалов по сравнению с обычным тяжелым карбонатом кальция, демонстрируя при этом лучшие экологические характеристики. Кроме того, когда твердый гипсовый порошок синергируется с синергистами гидроксида магния и оксидов металлов, антипиренами, можно получить огнестойкие материалы с более высоким кислородным индексом и более экологически безопасными свойствами.
Для дальнейшей оптимизации огнезащитных свойств ПВХ эффективной стратегией является частичная замена горючих пластификаторов огнестойкими пластификаторами TCPP или сложным эфиром тетрабромфталевого ангидрида (B45-Z), который особенно эффективен из-за высокого содержания брома, хотя он соответственно увеличит твердость и плотность материала и принесет определенное бремя затрат. Напротив, TCPP, хотя и дешевле, но немного менее эффективен в огнестойкости. Следовательно, при выборе альтернативных пластификаторов соотношение между стоимостью и производительностью должно быть сбалансировано в соответствии с конкретными потребностями.
Заключение
Пластмассы общего назначения, благодаря широкому спектру их применения, особенно занимая важное место во многих критически важных для безопасности областях, оптимизация их огнезащитных свойств стала ключевой проблемой, которую необходимо решить. В этом процессе изучение и применение наиболее подходящей стратегии огнезащитных технологий имеет решающее значение для обеспечения безопасности материалов в широком спектре применений.
Например, компания YINSU Flame Retardant может предложить серию огнестойких продуктов. Их полипропиленовые антипирены, такие как PPV2-8H и PPAP-15 , а также антипирены на основе красного фосфора, такие как FRP-950X и PEG-14 для полиэтилена, а также серия T, заменяющая сурьму, эффективно способствуют улучшению огнезащитных свойств соответствующих материалов, предоставляя надежные варианты для удовлетворения различных требований применения и обеспечения безопасности в различных отраслях промышленности.
