I. Огнезащитные свойства и проблемы ПВХ
ПВХ (поливинилхлорид) содержит до 56% хлора по весу. При горении он выделяет газообразный хлористый водород (HCl) и проявляет некоторые свойства самозатухания (предельный кислородный индекс, LOI ≈ 45%). Однако в практическом применении существуют следующие проблемы:
1. Гибкий ПВХ: добавление пластификаторов (таких как ДОФ и ДИНФ) значительно снижает LOI (до менее 20%), что требует добавления антипиренов;
2. Дым и токсичность. При горении выделяются HCl, диоксины и густой дым;
3. Термическая стабильность: он склонен к разложению во время высокотемпературной обработки, что требует синергетического использования термостабилизаторов и антипиренов.
II. Виды антипиренов в ПВХ-пластмассах
1. Антипирены на основе галогенов.
• Хлорированные антипирены: такие как хлорированный парафин; те, которые содержат 50% хлора, в основном используются в качестве вспомогательных пластификаторов для пластиков ПВХ, а те, которые содержат 70% хлора, в основном используются в качестве антипиренов.
2. Антипирены на основе фосфора.
• Неорганические антипирены на основе фосфора: такие как красный фосфор и полифосфат аммония (APP). Красный фосфор очень эффективен в качестве антипирена, но имеет плохую совместимость со смолами и требует микрокапсулирования.
• Органические антипирены на основе фосфора: такие как сложные эфиры фосфорной кислоты и фосфафенантрен. Эфиры фосфорной кислоты служат как антипиренами, так и пластификаторами и обычно используются в гибком ПВХ.
3. Антипирены на основе азота: такие как меламин и цианурат меламина (MCA), которые часто используются в сочетании с антипиренами на основе фосфора.
4. Неорганические антипирены: такие как тригидрат сульфата алюминия и нанокремнезем.
III. Обычно используемые синергетические антипирены
1. Антипирен на основе триоксида сурьмы: обычно используется в сочетании с галогенированными антипиренами. На начальном этапе горения первым плавится триоксид сурьмы, образуя на поверхности ПВХ-материала защитную пленку, изолирующую его от воздуха; он снижает температуру горения за счет эндотермической реакции внутри материала; при высоких температурах триоксид сурьмы испаряется, разбавляя концентрацию кислорода в воздухе и тем самым оказывая огнезащитный эффект; При использовании в сочетании с хлоридами, образующимися при сжигании ПВХ, образующийся хлорид сурьмы улавливает свободные радикалы в газообразном состоянии, что дополнительно способствует огнестойкости. Например, добавление триоксида сурьмы в кабельные компаунды ПВХ увеличивает кислородный индекс, усиливая их огнезащитные свойства. Триоксид сурьмы, прошедший специальную обработку, не только обеспечивает огнестойкость, но и снижает выделение дыма, что делает его особенно подходящим для использования в кабельных смесях из ПВХ.
2. Гидроксид алюминия: снижает дымовыделение ПВХ и улучшает его огнезащитные свойства. При разложении под действием тепла он поглощает большое количество тепла, а образующийся оксид алюминия образует защитную пленку на поверхности материала, изолируя его от кислорода и тепла. В то же время водяной пар, образующийся при разложении, разбавляет концентрации горючих газов и кислорода.
3. Гидроксид магния: разлагается с образованием оксида магния и воды, обеспечивая хорошее подавление дыма. По мере уменьшения размера частиц кислородный индекс ПВХ увеличивается, а максимальная скорость дымовыделения и плотность дыма уменьшаются. Кроме того, он оказывает минимальное влияние на механические свойства ПВХ и может соответствовать определенным требованиям применения.
4. Красный фосфор. Обычно используется микроинкапсулированный красный фосфор , обладающий такими преимуществами, как низкие уровни добавления, высокая огнезащитная эффективность, низкое выделение дыма и низкая токсичность. При сгорании он образует метафосфорную кислоту, которая затем полимеризуется в стабильную полимерную фазу, создавая на пластике защитный слой, изолирующий его от кислорода. В то же время красный фосфор также можно смешивать с другими неорганическими антипиренами, чтобы уменьшить количество требуемого антипирена и улучшить технологические и физико-механические свойства ПВХ.
5. Антипирены на основе силикона. В них в качестве носителей используются кремнийорганические и борорганические соединения, которые хелатируют различные функциональные группы. При использовании в сочетании с различными огнезащитными системами они образуют низкомолекулярные газы, которые изолируют кислород при горении, разжижают горючие газы и поглощают тепло для снижения температуры. Это способствует карбонизации и образованию пленки полимерной матрицы после сгорания, повышая огнезащитную эффективность и подавляя стекание расплава. Кроме того, они улучшают фазовую совместимость между различными компонентами и полимерной матрицей в композиционных материалах, тем самым улучшая механические свойства материала.
6. на основе азота Антипирены . Примеры включают триазины и их производные, а также меламин. Хотя их эффективность ограничена при использовании отдельно, они дают синергетический эффект в сочетании с антипиренами на основе фосфора. Композитные антипирены, например, состоящие из меламина и полифосфатов, могут улучшить огнестойкость ПВХ.
IV. Стандарты огнестойкости для пластиков ПВХ
Общие стандарты включают стандарт UL 94, который разделен на рейтинги V-0, V-1, V-2 и HB. К рейтингу V-0 предъявляются самые высокие требования: испытуемый образец должен самозатухнуть в течение 10 секунд без каких-либо капель, воспламеняющих ворс или подобные материалы; Рейтинг HB предъявляет самые низкие требования и основан на тесте на горизонтальное горение, при этом рейтинг определяется скоростью горения.
V. Механизм действия антипиренов
1. Поглощение тепла: антипирены подвергаются эндотермической реакции при высоких температурах, снижая температуру поверхности горючего материала и уменьшая образование горючих газов, тем самым подавляя горение.
2. Эффект покрытия: во время горения антипирены образуют твердое или жидкое покрытие, которое изолирует материал от кислорода и предотвращает горение.
3. Подавление цепных реакций: ионы галогенидов, образующиеся при разложении галогенных соединений, вступают в реакцию со свободными радикалами во время горения, снижая концентрацию свободных радикалов и тем самым замедляя скорость горения.
4. Удушение негорючими газами. Например, антипирены на основе азота разлагаются с образованием негорючих газов, которые разбавляют горючие газы и снижают скорость горения.
5. Эффект обугливания. Антипирены на основе фосфора при горении производят фосфорную кислоту, метафосфорную кислоту и другие соединения, способствуя обугливанию поверхности пластмасс и образуя слой угля, который изолирует от тепла и блокирует кислород.
VI. Применение антипиренов
1. Профили PVC-U. В профилях PVC-U добавление хлораминофосфатных эфиров значительно улучшает огнестойкость, в то время как неорганические антипирены, такие как нанокремнезем и тригидрат сульфата алюминия, также могут использоваться для улучшения теплоизоляции и термической стабильности.
2. Кабельные компаунды из ПВХ. Для улучшения огнестойкости и термостойкости кабелей обычно используются антипирены, такие как хлорированные парафины и сложные эфиры фосфорной кислоты.
3. Трубы из ПВХ. В трубах из ПВХ, используемых в строительстве, неорганические антипирены, такие как нанокремнезем, могут эффективно подавлять распространение пламени во время горения.
VII. Анализ классических тематических исследований
1. Огнезащитная модификация кабельных компаундов из ПВХ: добавление соответствующего количества хлорированного парафина и маточной смеси красного фосфора FRP-950X компании Yinsu Flame Retardant Company — в концентрации 2% — в кабельные компаунды из ПВХ значительно улучшает огнестойкие характеристики кабелей, что позволяет им соответствовать рейтингу UL 94 V0 и полностью заменить триоксид сурьмы. Благодаря этой модификации снижается выделение тепла и плотность дыма, образующегося при горении кабеля, при сохранении хороших механических свойств.
2. Применение огнестойких материалов для профилей ПВХ-U: В профили ПВХ-U, используемые в строительстве, добавляются хлораминофосфат и нанокремнезем. При горении хлораминофосфат выделяет газы азот и хлор, образуя слой угля, препятствующий распространению огня; нанокремнезем с его мелкими частицами препятствует распространению пламени и теплопроводности. Эта композитная огнестойкая система значительно повышает огнезащитные характеристики профилей из ПВХ, делая их более безопасными для использования в строительстве.
Как показал приведенный выше анализ, огнестойкость ПВХ должна учитывать присущие ему характеристики (высокое содержание хлора, чувствительность к обработке) и достигать высокой эффективности, низкой токсичности и низкой стоимости за счет синергетического использования огнезащитных смесей (таких как средства подавления дыма на основе гидроксида фосфора и металла). Применение антипиренов в ПВХ-пластмассах имеет большое значение, поскольку не только повышает пожаробезопасность материала, но и сохраняет его отличные физико-механические свойства.
