Hidroxid de aluminiu(ATH, Al(OH)₃), ca cel mai utilizat și mai ecologic ignifug anorganic fără halogeni din lume, are cinci avantaje principale de ignifugare, suprimare a fumului, umplere, nontoxicitate și cost redus. Este utilizat pe scară largă în domenii precum rășina epoxidice, rășina nesaturată, elastomerul PVC, materialul cablului EVA, materialul compozit din cauciuc, materialul electronic de etanșare și materialul pentru decorarea clădirii. Pe fundalul reglementărilor globale de mediu din ce în ce mai stricte și al tendinței principale de ignifugare fără halogeni, hidroxidul de aluminiu a devenit soluția preferată pentru sistemele de ignifugare cu materiale de ultimă generație datorită caracteristicilor sale nevolatile, non-corozive și non-toxice.
Cel mai de bază și cel mai fundamental efect ignifug al hidroxidului de aluminiu este efectul endotermic al descompunerii termice.
Când materialul polimeric umplut este încălzit la intervalul de 200°C - 320°C, hidroxidul de aluminiu suferă o reacție completă de deshidratare, eliberând apă cristalină și transformându-se în alumină activată. Ecuația reacției este următoarea:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Acest proces are două caracteristici cheie de ignifugare:
1. Capacitate puternică de absorbție a căldurii: Fiecare gram de descompunere a hidroxidului de aluminiu poate absorbi 1050-1200 J de căldură, care poate absorbi rapid căldura de ardere pe suprafața și în interiorul materialului, forțând temperatura substratului să fie mai mică decât temperatura critică de descompunere termică, terminând sau întârziind astfel arderea.
2. Pragul de temperatură precis: Temperatura de descompunere este foarte potrivită cu temperatura de degradare termică a majorității materialelor termoplastice și a rășinilor termorigide, iar mecanismul ignifug poate fi activat imediat când materialul intră în intervalul de temperatură periculos, obținând protecție timpurie.
Înțelegere simplă: hidroxidul de aluminiu este ca un „sistem de răcire” în interiorul materialului, absorbind o cantitate mare de căldură în momentul aprinderii, făcând imposibil ca materialul să mențină temperatura de ardere și suprimând continuarea arderii de la rădăcină.
În timpul procesului de deshidratare și descompunere,hidroxid de aluminiueliberează o cantitate mare de vapori de apă la temperatură înaltă, care este a doua funcție cheie de ignifugare.
Vaporii de apă formează o barieră gazoasă de înaltă densitate pe suprafața materialului, obținând un efect de ignifugare triplu:
1. Diluarea gazelor combustibile: Gazele combustibile precum monoxidul de carbon, alcanii și alchenele produse prin descompunerea termică a materialelor sunt mult diluate de vaporii de apă, reducând concentrația lor sub limita de ardere.
2. Izolarea oxigenului: vaporii de apă ocupă spațiul de interfață de ardere, reducând difuzia oxigenului extern în material și creând un mediu slab oxidant.
3. Reduceți temperatura fazei gazoase: gazeificarea cu vapori de apă absoarbe în continuare căldura, reduce temperatura flăcării și slăbește radiația termică susținută a flăcării pe substrat.
Spre deosebire de retardanții de flacără halogenați, vaporii de apă eliberați de hidroxidul de aluminiu sunt netoxici, non-corozivi și necancerigeni, respectând pe deplin standardele globale de mediu, cum ar fi EU REACH, RoHS și US UL, făcându-l un reprezentant de bază al sistemelor verzi ignifuge.
După deshidratarea hidroxidului de aluminiu, pe suprafața materialului se va genera in situ un strat de alumină activată (Al₂O₃) albă, densă, cu punct de topire ridicat și neinflamabil.
Oxidul de aluminiu are un punct de topire de până la 2050 ℃ și posedă o stabilitate termică puternică și rezistență structurală, servind ca o barieră fizică triplă:
1. Izolați transferul de căldură: blocați flăcările externe de la radiarea căldurii către substratul intern și preveniți descompunerea termică ulterioară a materialului.
2. Blocați picurarea picăturilor: Fixați topitura polimerului pentru a preveni arderea secundară sau răspândirea incendiului cauzată de picurarea picăturilor.
3. Blocați gazele combustibile: suprimați evacuarea gazelor combustibile interne și întrerupeți alimentarea cu substanțe care arde.
Acest strat de înveliș de alumină nu va arde, nu va fuma sau nu se va rupe și este o bază fizică importantă pentru obținerea ignifuzei de lungă durată a hidroxidului de aluminiu.
În accidentele reale de incendiu, fumul gros și gazele toxice sunt factorii principali care cauzează daune. Avantajul principal al hidroxidului de aluminiu în comparație cu alți agenți ignifugări este retardarea sincronă a flăcării și suprimarea puternică a fumului.
Mecanismul său de suprimare a fumului se reflectă în trei aspecte:
1. Suprimarea la temperaturi scăzute a generării de fum și praf: absorbția căldurii și răcirea în avans pentru a reduce fumul negru, gudronul și particulele toxice generate de fisurarea la temperatură înaltă a materialelor.
2. Adsorbția fizică a particulelor de fum de către stratul de alumină: Structura suprafeței poroase poate capta particulele de fum și poate reduce concentrația de fum.
3. Fără poluare secundară: nu produce fum foarte toxic, cum ar fi halogenuri de hidrogen și dioxine, și îndeplinește cerințele stricte de densitate a fumului în domenii precum construcții, transport, materiale de interior și tranzit feroviar.
În aplicații precum rășina epoxidice, materialele compozite SMC/BMC, firele și cablurile, adăugarea de hidroxid de aluminiu poate reduce densitatea fumului (DS) a materialului cu mai mult de 60%, îmbunătățind semnificativ siguranța la incendiu.
Hidroxid de aluminiunu acționează singur și poate forma un efect de carbonizare sinergic cu matricea de rășină în sistemele de umplere înaltă
1. Stratul de alumină favorizează formarea rapidă a unui strat stabil de carbon pe suprafața substratului;
2. Absorbția căldurii și deshidratarea accelerează densificarea stratului de carbon, sporind capacitatea sa antioxidantă;
3. Reduceți timpul de ardere, faceți ca materialul să se autostingă și opriți imediat arderea după ce părăsiți flacăra.
Acest efect sinergic permite hidroxidului de aluminiu să prezinte o eficiență ignifugă care depășește cu mult cea a materialelor de umplutură anorganice obișnuite în rășini epoxidice cu umplutură mare, poliesteri nesaturați și elastomeri.
Luând în considerare efectele de mai sus, hidroxidul de aluminiu nu realizează ignifugare printr-un singur mecanism, ci mai degrabă prin apariția simultană a patru funcții: absorbția și răcirea căldurii, diluarea în fază gazoasă, izolarea în fază solidă, suprimarea fumului și fixarea carbonului solid, formând o rețea completă de ignifugare tridimensională:
1. Absorbție de căldură: răcire forțată pentru a preveni piroliza continuă a materialelor;
2. Eliberarea apei: Oxigenul diluat și gazele combustibile;
3. Formarea învelișului: formarea unui strat izolator de alumină;
4. Suprimarea fumului: Reduceți fumul toxic și sporiți siguranța.
Acesta este, de asemenea, motivul fundamental pentru care hidroxidul de aluminiu poate deveni materialul principal în domeniul ignifug global fără halogeni.
