Помимо огнестойкости, важно подавление дыма!
Технология сжигания ПВХ «Фиксация дыма с образованием обуглившегося материала» восстанавливает стандарты безопасности кабельных соединений
I. Предисловие
На месте пожара густой черный дым, образующийся при горении ПВХ, не только затрудняет видимость, но и служит смертельным «первичным убийцей». Традиционные антипирены могут погасить пламя, но не могут контролировать дым. Сегодня, начиная с фундаментального механизма, мы обсуждаем, как решить проблему выделения дыма ПВХ в его источнике с помощью концепции «подавления дыма за счет образования угля».
II. Общая болевая точка
Те, кто работает с кабельными компаундами, знают, что ПВХ (поливинилхлорид) , несмотря на свои отличные комплексные свойства и низкую стоимость, имеет неприятную «ахиллесову пяту» — при горении выделяет исключительно густой черный дым. Представьте себе сценарий: стареющая электропроводка замыкает и возгорается; Когда горит оболочка из ПВХ, густой дым быстро заполняет все помещение. Статистика показывает, что около 80% смертей, связанных с пожарами, вызваны дымом и токсичными газами, а не самим пламенем. Почему ПВХ так «любит курить»? Традиционные антипирены могут подавить огонь, так почему же они не могут контролировать дым?
III. Почему ПВХ выделяет дым? Понимание на молекулярном уровне
Чтобы решить проблему, мы должны сначала понять ее причину. Давайте воспользуемся аналогией с «барбекю», чтобы понять процесс горения ПВХ:
Шаг первый: сбросить «верхнюю оболочку»
Боковые цепи молекул ПВХ содержат множество атомов хлора. При нагревании атомы хлора уходят вместе с водородом, образуя газообразный хлористый водород (источник резкого запаха). Оставшиеся молекулярные цепи трансформируются в длинные последовательности двойных связей, профессионально называемые «сопряженными полиенами».
Шаг второй: Циклизация «Кластеризация»
Эти длинноцепочечные структуры с двойной связью нестабильны и начинают «циклизироваться» — это означает, что молекулы соединяются друг с другом, образуя ароматические кольцевые структуры (обычно стабильные шестичленные или пятичленные кольца). Эти структуры очень стабильны и не могут полностью сгореть в условиях дефицита кислорода.
Шаг третий: создание черного дыма
Эти ароматические кольцевые структуры собираются вместе и рассеиваются в воздухе, образуя густой черный дым, который мы наблюдаем. Они часто сопровождаются крайней токсичностью; при вдыхании они вызывают быстрый отказ органов человека, приводящий к смерти.
Поняв причину образования дыма, мы можем определить критическую точку: если мы сможем заставить эти продукты разложения быстро сшиваться и образовывать обугливание на втором этапе, а не рассеиваться в виде дыма, проблема черного дыма будет в значительной степени решена. Это подводит нас к сегодняшней теме: углеобразующие агенты, подавляющие дым, также известные как «оболочечные агенты, подавляющие дым».
IV. Традиционные решения и механизмы подавления дыма
4.1 Соединения молибдена
В соединениях молибдена молибден шестивалентен, и его степень окисления и координационное число легко изменяются. Благодаря кислотному катализу Льюиса они способствуют образованию слоя угля и уменьшают образование дыма. Их процессы огнезащиты и дымоподавления происходят преимущественно в конденсированной фазе, а не в газовой фазе, оказывая каталитический эффект главным образом за счет следующих трех типов реакций:
(1) Катализировать дегидрохлорирование ПВХ с образованием транс-полиенов по кислотному механизму Льюиса, предотвращая циклизацию последних в соединения ароматического кольца, которые являются основными компонентами дыма;
(2) изомеризация цис-полиенов в транс-полиены;
(3) Сшивание полиенов посредством реакций алкилирования Фриделя-Крафтса или реакций циклизации Дильса-Альдера.
Кроме того, соединения молибдена могут образовывать сшитые полимерные цепи за счет металлических связей или восстановительной связи углерод-хлор, тем самым уменьшая вклад горючих материалов в пожар.
4.2. Механизмы дымоподавления железоорганических соединений и некоторых оксидов металлов.
Железоорганические соединения могут подавлять дым как в газовой, так и в конденсированной фазе, в первую очередь в зависимости от структуры полимера, особенно от наличия в нем галогенов. Например, в ПВХ соединения ферроцена и их производные могут инициировать реакции в газовой фазе, в результате которых образуются высокоактивные радикалы (такие как радикалы ОН), которые впоследствии окисляют частицы дыма в CO.
Оксиды некоторых металлов также могут удалять сажу, поскольку они могут катализировать диссоциацию молекул водорода и молекул воды на радикалы H во время горения. Эти радикалы H могут затем вступать в реакцию с водой с образованием радикалов OH, которые могут превращать сажу в CO посредством вышеупомянутых реакций.
Кроме того, некоторые оксиды металлов могут препятствовать зародышеобразованию сажи, пассивируя ионизированные центры зародышеобразования и стадии их роста. В этом процессе термически ионизированные или каталитически ионизированные металлы сначала атакуют центры зародышеобразования, после чего происходит пассивация ионных центров. В то же время соединения металлов могут способствовать образованию радикалов ОН на ранних стадиях горения. Следовательно, предшественники сажи, а именно конденсированные полиядерные ароматические соединения, могут быть восстановлены или устранены путем окисления. То есть некоторые соединения металлов могут подавлять образование бензола и других ароматических соединений в газовой фазе.
4.3 Принцип подавления дыма с помощью редукционной муфты
Некоторые добавки переходных металлов могут способствовать сшиванию ПВХ посредством механизма восстановительного соединения полимера, тем самым подавляя дымообразование. В твердом ПВХ такая сшивка может происходить при температуре 200°С. Когда агентом сочетания является Cu(0), наиболее вероятно возникновение восстановительного сочетания аллилхлорида, хотя нельзя полностью исключить другие параллельные реакции сочетания. Более короткие сегменты полиолефиновой цепи, образующиеся в результате аллильного сочетания, могут ограничивать образование бензола и других ароматических углеводородов во время пиролиза ПВХ.
V. Наш подход: сочетание «блокировки» и «наведения»
Если мы сравним сжигание ПВХ с «дымлением дымохода», традиционный подход состоит в установке «фильтрующего экрана» на выходе из дымохода, что дает ограниченные результаты при высоких затратах. Наша концепция такова: сохранять традиционные подходы и одновременно «затвердевать дым в стену» у основания дымохода, предотвращая выход дыма вообще. Эта «стенка у основания дымохода» представляет собой плотный слой угля.
Благодаря синергетической комбинированной системе мы даем возможность дымоподавителям работать одновременно как в газовой, так и в конденсированной фазе:
(1) Каталитическое сшивание : содействие быстрому сшиванию полиеновых структур, образующихся после дегидрохлорирования ПВХ, с созданием трехмерных сетей;
(2) Содействие ароматизации : ускорение образования и стабилизации ароматических структур, «запирание» их внутри слоя угля;
(3) Формирование барьера : Формирование плотного слоя угля на поверхности материала, изолирующего кислород и тепло и предотвращающего дальнейшее внутреннее разложение.
Основываясь на вышеизложенных механизмах, мы разработали дымоподавители-угольообразователи серии FC, специально разработанные для малодымных безгалогенных компаундов, кабельных компаундов из ПВХ, резины и покрытий.
Целью этой статьи является популяризация фундаментальных принципов подавления дыма ПВХ за счет образования обугливания и представление соответствующих решений. Если у вас есть вопросы относительно конкретных технических деталей или применения продукта, оставьте комментарий ниже для обсуждения!
