مواد شیمیایی بازدارنده شعله: چه هستند، چگونه کار می کنند و انواع

تاخیر در شعله چیست؟

تاخیر در شعله توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر اشتعال، کاهش سرعت گسترش آتش یا خاموش شدن خود در هنگام برداشتن منبع شعله است. این یک ویژگی واحد نیست، بلکه یک نتیجه قابل اندازه گیری است که به تعامل بین مواد شیمیایی، ساختار فیزیکی آن، شدت منبع گرما و در دسترس بودن اکسیژن بستگی دارد. A بازدارنده شعله مواد نسوز نمی شوند - زمان حیاتی می خرند با تأخیر در نقطه ای که یک ماده به دمای اشتعال می رسد، گازهای قابل اشتعال تولید می کند یا به طور مستقل احتراق را حفظ می کند.

تاخیر در شعله یا با فرمول بندی مواد پایه با شیمی ذاتاً مقاوم در برابر آتش - مانند الیاف آرامید یا رزین های ترموست خاص - یا با معرفی مواد شیمیایی بازدارنده شعله که فرآیند احتراق را مختل می کنند به دست می آید. رویکرد دوم اکثریت قریب به اتفاق محصولات بازدارنده شعله تجاری را پوشش می‌دهد که برای منسوجات، پلاستیک‌ها، فوم‌ها، محصولات چوبی و پوشش‌ها در صنایع ساخت‌وساز، حمل‌ونقل، الکترونیک و کالاهای مصرفی اعمال می‌شود.

ضد شعله چیست و از چه چیزی ساخته شده است

بازدارنده شعله یک ترکیب یا مخلوط شیمیایی است که به یک ماده اضافه شده یا به آن اعمال می شود تا اشتعال پذیری آن کاهش یابد. شیمی فعال از طریق یک یا چند مکانیسم از چهار مکانیسم اساسی عمل می کند: خنک کردن سطح در حال سوختن، تشکیل یک لایه زغال محافظ، آزادسازی جاذب های رادیکال آزاد که واکنش زنجیره ای احتراق را در فاز گاز قطع می کنند، یا رقیق کردن گازهای قابل اشتعال با محصولات تجزیه بی اثر.

اینکه از چه مواد بازدارنده شعله ای ساخته شده اند، کاملاً به مکانیسمی که آنها استفاده می کنند بستگی دارد. خانواده‌های شیمیایی اصلی شامل ترکیبات هالوژنه (بر پایه برم و کلر)، ترکیبات فسفر (اعم از آلی و معدنی)، ترکیبات مبتنی بر نیتروژن، پرکننده‌های معدنی و ترکیبی از اینها هستند. هر خانواده دارای ویژگی‌های عملکردی متمایز، الزامات پردازش، مشخصات هزینه و وضعیت نظارتی است که تعیین می‌کند کجا هستند و کجا استفاده نمی‌شوند.

بازدارنده های شعله هالوژنه

بازدارنده های شعله بروم دار و کلردار در فاز گاز با آزاد کردن رادیکال های هالوژن در حین احتراق کار می کنند که رادیکال های آزاد هیدروکسیل (OH·) و هیدروژن (H·) بسیار واکنش پذیر را که واکنش زنجیره ای شعله را حفظ می کنند، از بین می برند. بازدارنده های شعله بروم دار از نظر وزن به وزن از کارآمدترین ها هستند به همین دلیل است که آنها برای چندین دهه بر الکترونیک و منسوجات تسلط داشتند. ترکیبات برم دار متداول عبارتند از تترابرومبیسفنول A (TBBPA، که به طور گسترده در بردهای مدار چاپی استفاده می شود)، دکابرومودی فنیل اتر (DecaBDE) و هگزابروموسیکلودودکان (HBCDD، که قبلا در عایق پلی استایرن استفاده می شد). پارافین های کلردار عملکردهای مشابهی را در PVC، لاستیک و پوشش ها انجام می دهند. چندین بازدارنده شعله هالوژنه قدیمی تحت کنوانسیون استکهلم و مقررات REACH اتحادیه اروپا به دلیل نگرانی در مورد ماندگاری، تجمع زیستی و سمیت محدود شده یا حذف شده اند.

بازدارنده های شعله بر پایه فسفر

بازدارنده های شعله فسفر عمدتاً در فاز متراکم (جامد) با ترویج تشکیل زغال سنگ کار می کنند - یک لایه کربنی متراکم که مواد زیرین را از گرما عایق می کند و انتشار مواد فرار قابل اشتعال را محدود می کند. فسفات های آلی مانند تری فنیل فسفات (TPP)، رزورسینول بیس (دی فنیل فسفات) (RDP) و بیس فنل A بیس (دی فنیل فسفات) (BDP) به عنوان بازدارنده های شعله واکنشی یا افزودنی در پلاستیک های مهندسی، فوم های نساجی پلی یورتان استفاده می شود. پلی فسفات آمونیوم (APP) یک ترکیب فسفر معدنی است که به طور گسترده در پوشش‌های متورم و تصفیه چوب استفاده می‌شود - در اثر حرارت تجزیه می‌شود و اسید فسفریک آزاد می‌کند که تشکیل زغال‌اخته را کاتالیز می‌کند و آمونیاک که اکسیژن را رقیق می‌کند. سیستم‌های مبتنی بر فسفر در حال حاضر سریع‌ترین بخش در حال رشد بازار مواد شیمیایی مقاوم در برابر شعله هستند، زیرا فرمول‌سازها به دنبال جایگزین‌های بدون هالوژن هستند.

بازدارنده های شعله بر پایه نیتروژن

ملامین و مشتقات آن (ملامین سیانورات، ملامین پلی فسفات) با آزاد کردن گازهای بی اثر غنی از نیتروژن - عمدتاً نیتروژن و آمونیاک - عمل می کنند که غلظت گازهای احتراق قابل اشتعال را رقیق کرده و اکسیژن را از منطقه شعله جابجا می کند. آنها در ترکیب با ترکیبات فسفر در سیستم های گرم کننده موثر هستند، جایی که جزء نیتروژن به عنوان یک عامل دمنده برای گسترش لایه زغال سنگ به یک فوم عایق با چگالی کم عمل می کند. بازدارنده های شعله بر پایه ملامین در سیستم های فوم پلی اورتان، نایلون و رزین اپوکسی استفاده می شود.

مواد بازدارنده شعله مواد معدنی

هیدروکسید آلومینیوم (ATH) و هیدروکسید منیزیم (MDH) دو ترکیب بازدارنده شعله تولید شده در سطح جهانی هستند. آنها با تجزیه گرماگیر عمل می کنند - گرما را از سطح در حال سوختن جذب می کنند زیرا بخار آب را آزاد می کنند، که ماده را خنک می کند و گازهای قابل اشتعال را به طور همزمان رقیق می کند. ATH تقریباً در دمای 180 تا 200 درجه سانتیگراد تجزیه می شود و حدود 34٪ ​​از وزن خود را به عنوان آب آزاد می کند. MDH در دمای بالاتر (300-320 درجه سانتیگراد) تجزیه می شود و برای پلیمرهای مهندسی که بالاتر از آستانه تجزیه ATH پردازش می شوند، مناسب است. محدودیت اصلی بازدارنده های شعله معدنی، سطح بارگذاری است - بازدارندگی موثر در شعله معمولاً به 40 تا 65 درصد اضافه وزن نیاز دارد که می تواند خواص مکانیکی را کاهش دهد و چگالی ترکیب را افزایش دهد. آنها به طور گسترده در عایق سیم و کابل، کفپوش و غشاهای سقفی که در آن هالوژن و عملکرد کم دود مورد نیاز است استفاده می شود.

فهرست مواد شیمیایی بازدارنده شعله: ترکیبات اصلی بر اساس کاربرد

ضد حریق در تشک: چه چیزی و چرا استفاده می شود

الزامات ضد حریق تشک وجود دارد زیرا فوم پلی یورتان - ماده اصلی اصلی در تشک های مدرن - بسیار قابل احتراق است. فوم PU تصفیه نشده می تواند در عرض 3 تا 5 دقیقه پس از احتراق به درگیری کامل برسد و گرمای شدید و گازهای سمی احتراق را آزاد کند. در ایالات متحده، 16 CFR قسمت 1633 (استاندارد شعله باز) و 16 CFR قسمت 1632 (استاندارد احتراق سیگار) الزام می‌کند که همه تشک‌هایی که فروخته می‌شوند آستانه‌های عملکرد آتش را رعایت کنند. مقررات مشابهی در اتحادیه اروپا (EN 597)، انگلستان (BS 7177) و سایر بازارها اعمال می شود.

مواد شیمیایی ضد حریق مورد استفاده در تشک ها در دو دهه گذشته در پاسخ به نگرانی های بهداشتی و زیست محیطی به طور قابل توجهی تکامل یافته اند. رویکردهای اصلی در حال حاضر مورد استفاده عبارتند از:

• پارچه های بازدارنده شعله: رایج ترین رویکرد فعلی در بازار ایالات متحده است. یک لایه مانع بافته شده یا نبافته - که معمولاً از الیاف ذاتاً مقاوم در برابر آتش مانند ترکیبات موداکریلیک، الیاف شیشه، سیلیس یا فیبر کربن ساخته شده است - بین تیک و هسته فوم قرار می گیرد. مانع به جای تکیه بر مواد افزودنی شیمیایی در خود فوم، زغال و عایق می شود. این رویکرد از افزودن مواد شیمیایی واکنش پذیر به فوم در حالی که استاندارد شعله باز را رعایت می کند، جلوگیری می کند.
• مواد افزودنی فوم بر پایه فسفر: بازدارنده های شعله ارگانوفسفره واکنشی یا افزودنی در فرمولاسیون فوم پلی یورتان در طول ساخت. آنها تشکیل زغال سنگ را در سطح کف تقویت می کنند و سرعت انتشار گرما را کاهش می دهند. تریس (1-کلرو-2-پروپیل) فسفات (TCPP) و دی متیل متیل فسفونات (DMMP) به طور گسترده ای در طول تاریخ مورد استفاده قرار می گرفتند، اگرچه برخی از استرهای فسفات با بررسی های نظارتی و فرمول مجدد داوطلبانه توسط تولید کنندگان عمده فوم مواجه شده اند.
• درمان با اسید بوریک: برای پوشاندن پارچه ها یا لایه های حلزونی به عنوان اسپری یا پوشش اعمال می شود. اسید بوریک یک ترکیب معدنی کم سمیت است که به عنوان یک محرک خفیف زغال سنگ و پاک کننده رادیکال های آزاد عمل می کند. این یکی از روش‌های قدیمی‌تر و ساده‌تر بازدارنده شعله است که گاهی در ترکیب با سیستم‌های دیگر استفاده می‌شود.
• ویسکوز/ریون با سیلیس: برخی از سیستم های مانع از الیاف ویسکوز غنی شده با سیلیس استفاده می کنند که در معرض شعله یک زغال سرامیکی مانند ایجاد می کند و عایق حرارتی بدون مواد شیمیایی هالوژنه یا فسفات را فراهم می کند.

تشک های بدون ضد حریق: آنچه باید بدانید

در ایالات متحده، از نظر قانونی امکان فروش تشکی وجود ندارد که الزامات عملکرد آتش سوزی 16 CFR قسمت 1633 را برآورده نمی کند - اما این مقررات نتیجه عملکرد را مشخص می کند، نه یک ماده شیمیایی خاص. تشکی که به عنوان "بدون مواد شیمیایی مقاوم در برابر آتش" توصیف می شود، معمولاً از طریق یک پارچه مانع ذاتاً مقاوم در برابر آتش به جای افزودنی های شیمیایی در فوم، به انطباق می رسد. پشم متداول ترین ماده مانع طبیعی است که برای این منظور استفاده می شود - محتوای نیتروژن و رطوبت بالای آن به آن رفتار ذغالی تشکیل می دهد که استانداردهای شعله باز را بدون مواد شیمیایی اضافه مطابقت می دهد. تشک‌های ارگانیک تایید شده و تشک‌های لاتکس طبیعی اغلب از لایه‌های پشمی به عنوان استراتژی مدیریت آتش استفاده می‌کنند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا محصول را به‌عنوان عاری از مواد شیمیایی مقاوم در برابر شعله مصنوعی به بازار عرضه کنند و در عین حال سازگاری خود را حفظ کنند.

بازدارنده های طبیعی آتش: گزینه های گیاهی و مواد معدنی

با تشدید محدودیت ها بر روی هالوژنه مصنوعی و برخی از ترکیبات فسفاته، علاقه به جایگزین های طبیعی بازدارنده شعله به طور قابل توجهی افزایش یافته است. چندین ماده مشتق شده طبیعی مقاومت قابل توجهی در برابر آتش نشان می دهند، اگرچه بیشتر آنها به سطوح بارگذاری بالاتر یا روش های کاربردی پیچیده تری نسبت به جایگزین های مصنوعی برای دستیابی به عملکرد معادل نیاز دارند.

• پشم: به طور طبیعی دارای نیتروژن بالا (تقریبا 16٪ وزن) و رطوبت (تا 18٪) است. پشم در دمای نسبتاً بالا مشتعل می شود (570-600 درجه سانتی گراد در مقابل 255 درجه سانتی گراد برای پنبه)، به جای ذوب شدن، ذغال می شود و به طور قابل اعتمادی خاموش می شود. به طور گسترده ای در اثاثه یا لوازم داخلی، موانع تشک و فضای داخلی هواپیما به عنوان یک ماده طبیعی مقاوم در برابر شعله استفاده می شود.
• اسید بوریک و بوراکس: نمک های معدنی طبیعی که از ذخایر تبخیری استخراج می شوند. بوراکس (تتربورات سدیم) و اسید بوریک از طولانی‌ترین بازدارنده‌های شعله استفاده شده در مواد سلولزی - چوب، پنبه، کاغذ - هستند که از طریق افزایش ذغال و آزادسازی آب گرماگیر عمل می‌کنند. آنها گزینه های کم سمیت در نظر گرفته می شوند و برای استفاده در محصولات ارگانیک تایید شده در برخی از حوزه های قضایی تایید شده اند.
• اسید فیتیک: یک ترکیب طبیعی غنی از فسفر که از دانه های گیاهی به دست می آید. علاقه تحقیقاتی به اسید فیتیک به عنوان یک بازدارنده شعله با پایه زیستی برای منسوجات پنبه ای در دهه گذشته افزایش یافته است - محتوای فسفر بالای آن از طریق مکانیسمی مشابه به بازدارنده های شعله فسفات مصنوعی، بدون شیمی مصنوعی، تشکیل زغال سنگ را افزایش می دهد. پذیرش تجاری به دلیل هزینه و پیچیدگی پردازش محدود است.
• سیلیس و کانی های رسی: مواد معدنی معدنی طبیعی به عنوان پرکننده های مقاوم در برابر شعله در لاستیک، پوشش ها و کامپوزیت ها استفاده می شود. خاک رس کائولن و دی اکسید سیلیکون در هنگام قرار گرفتن در معرض گرما، لایه های سدی پایداری را تشکیل می دهند. نانو خاک رس (مونتموریلونیت) به عنوان یک افزودنی نانوکامپوزیت بازدارنده شعله توجه تحقیقاتی قابل توجهی را به خود جلب کرده است زیرا حتی بارگذاری های کوچک (2 تا 5 درصد وزنی) می تواند به طور معنی داری اوج رهاسازی حرارت را در ماتریس های پلیمری کاهش دهد.
• کازئین (پروتئین شیر): به طور تاریخی در تیمارهای بازدارنده شعله نساجی استفاده می شود و در حال حاضر به عنوان یک پوشش زیستی برای پنبه و پلی استر در دست بررسی است. کازئین حاوی فسفر و نیتروژن است که هر دو از طریق مکانیسم‌های ذغال فاز متراکم به کند شدن شعله کمک می‌کنند.

تولید ترکیبات بازدارنده شعله: فرآیندهای ساخت کلیدی

روش های تولید ترکیبات بازدارنده شعله به طور قابل توجهی بسته به خانواده شیمیایی متفاوت است که منعکس کننده تنوع ترکیبات شیمیایی زیربنایی آنها است.

مواد بازدارنده شعله ارگانوفسفره با واکنش اکسی کلرید فسفر (POCl3) یا پنتوکسید فسفر (P2O5) با الکل ها، فنل ها یا پلی ال ها تحت دمای کنترل شده و شرایط کاتالیزور تولید می شوند. واکنش باید به دقت مدیریت شود تا درجه استری شدن و وزن مولکولی کنترل شود که به نوبه خود پایداری حرارتی، ویسکوزیته و سازگاری با ماتریس پلیمری هدف را تعیین می کند. گریدهای واکنشی - که به صورت کووالانسی به ستون فقرات پلیمری پیوند می خورند - به شیمی گروه عاملی اضافی نیاز دارند که معمولاً شامل مکان‌های واکنش‌دهنده اپوکسید یا هیدروکسیل است.

هیدروکسید آلومینیوم (ATH) به صورت صنعتی به عنوان یک محصول مشترک از فرآیند بایر برای تولید آلومینا تولید می شود - آلومینیوم محلول از سنگ معدن بوکسیت با سرد کردن و کاشت محلول آلومینات سدیم به صورت گیبسیت (Al(OH)3) رسوب می کند. توزیع اندازه ذرات و عملیات سطحی (معمولاً با عوامل جفت کننده سیلان یا اسید استئاریک) در طول رسوب و پس از پردازش برای بهینه سازی پراکندگی در ماتریس های پلیمری و به حداقل رساندن افزایش ویسکوزیته در طول ترکیب کنترل می شود.

پلی فسفات آمونیوم (APP) با واکنش اسید فسفریک یا پلی فسفریک اسید با اوره یا آمونیاک تحت شرایط دمایی کنترل شده سنتز می شود. درجه پلیمریزاسیون - طول زنجیره ستون فقرات پلی فسفات - یک ویژگی مهم محصول است: پلیمریزاسیون بالاتر (Phase II APP، درجه پلیمریزاسیون > 1000) حلالیت کمتری در آب ایجاد می کند که برای کاربردهای خارج از منزل یا محیط مرطوب که در آن شستشو باعث کاهش اثربخشی طولانی مدت شعله می شود ضروری است.

مواد بازدارنده شعله برم دار توسط برم‌سازی معطر الکتروفیلیک تولید می‌شوند - واکنش سوبسترای معطر با برم مولکولی (Br2) در حضور کاتالیزور اسید لوئیس مانند برمید آهن (III)، تحت دمای کنترل‌شده برای رسیدن به درجه هدف برم. محتوای بالای برم (معمولاً 50 تا 85 درصد وزنی در محصولات تجاری) مستلزم رسیدگی دقیق مواد اولیه برم و مواد واسطه برم دار در طول تولید است.

زمینه بازار جهانی: ارزش بازار مواد شیمیایی مقاوم در برابر شعله در سال 2023 حدود 9.5 میلیارد دلار بود و پیش‌بینی می‌شود که تا سال 2030 سالانه 5 تا 6 درصد رشد کند که ناشی از گسترش فعالیت‌های ساخت‌وساز در آسیا، مقررات سخت‌گیرانه‌تر ایمنی آتش‌سوزی در الکترونیک و حمل‌ونقل، و تغییر فرمول‌بندی مداوم از سیستم‌های هالوژنه به سیستم‌های مبتنی بر فسفر و مواد معدنی دلاری است.