Classification et sélection des ignifuges polymères et des inhibiteurs de fumée

Classification et sélection des ignifuges polymères et des inhibiteurs de fumée

Dans de nombreux incendies, un grand nombre de personnes ne meurent pas à cause des températures élevées. Au lieu de cela, la plupart d’entre eux périssent à cause d’un empoisonnement ou d’une suffocation causée par le manque d’oxygène, suite à la libération de gaz toxiques et nocifs provenant de matériaux combustibles au cours du processus de combustion.

Par conséquent, le développement de nouveaux types de matériaux non toxiques, inoffensifs et ignifuges dotés de bonnes propriétés ignifuges, qui ne produisent pas ou produisent moins de fumées toxiques et nocives lors de la combustion, est devenu une direction de recherche clé dans le domaine actuel. de retardateur de flamme.

À l'heure actuelle, la principale approche pour résoudre le problème de la fumée et de la poussière excessives lors des incendies consiste à ajouter des abat-fumée tels que des oxydes de métaux de transition, des composés magnésium-zinc, des hydroxydes métalliques, de l'oxyde d'étain, du ferrocène et de l'oxyde de cuivre.

Le développement de nouveaux produits anti-fumée et de matériaux ignifuges qui ne produisent pas de gaz toxiques et nocifs lors de la combustion est la tendance de la future recherche sur les matériaux ignifuges.

JE. Composition de la fumée

La fumée noire fait référence aux particules solides en suspension et aux agrégats présents dans les produits gazeux de combustion.

On pense généralement qu’il existe trois façons de réduire la concentration de fumée noire :

D’abord en s’appuyant sur des principes ignifuges tels que l’effet couvrant, l’effet de transfert, l’inhibition des radicaux libres et l’accélération de la carbonisation pour modifier son mode de combustion.

Deuxièmement, en remplissant de grandes quantités de matériaux inorganiques pour réduire la quantité de combustibles et ainsi diminuer les émissions de fumée. Cependant, une utilisation excessive peut entraîner de graves dommages aux propriétés des produits.

Troisièmement, en utilisant des effets synergiques pour obtenir un retardateur de flamme composite.

La fumée blanche est principalement causée par la vapeur d’eau générée lors de la combustion des matériaux, ainsi que par les minuscules particules de condensat de vapeur d’eau en suspension dans l’air. Il existe également des parties invisibles qui sont des gaz, comme le HCl, le CO₂, le CO, le HCN et le méthane, etc.

La vapeur d'eau, bien qu'inoffensive pour le corps humain, réduit la transmission et augmente la densité de la fumée. L'hydroxyde d'aluminium et l'hydroxyde de magnésium jouent un rôle ignifuge en absorbant la chaleur de combustion, mais la vapeur d'eau qu'ils produisent est la principale cause de la fumée blanche. Par conséquent, il est crucial d’atteindre un équilibre entre l’ignifugation et la suppression de la fumée.

II. Quels matériaux sont susceptibles de produire de la fumée ?

La quantité de fumée émise par les matériaux lors de la combustion est généralement mesurée par la densité optique spécifique maximale (Dm), également appelée densité maximale de fumée. Plus la densité optique spécifique maximale d'un polymère est élevée, plus sa tendance à l'émission de fumée est grande et plus la fumée noire qu'il produit pendant la combustion est épaisse, ce qui entraîne une pollution environnementale plus grave. Les densités optiques spécifiques maximales des polymères courants sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Du tableau, on peut constater que :

(1) Les polymères avec des structures polyènes ou des cycles benzéniques dans les chaînes latérales ont tendance à produire plus de fumée. En effet, les chaînes carbonées du polyène peuvent subir une cyclisation, une condensation et la formation de particules de carbone graphitique.

(2) Les polymères avec des cycles benzéniques dans les chaînes latérales (comme le polystyrène) forment facilement des doubles liaisons conjuguées lors de la combustion, qui se cyclisent et se condensent ensuite en carbone, entraînant une production élevée de fumée.

(3) Le chlorure de polyvinyle (PVC), après avoir libéré du chlorure d'hydrogène, peut également se cycliser et former des polymères qui produisent une grande quantité de fumée lors de la combustion.

Puisque la norme pour la combustion sans fumée des polymères est une densité optique spécifique (Dm) maximale inférieure à 300, les résines à forte production de fumée telles que le PET, le PC, le PS, l'ABS et le PVC doivent être modifiées à la fois pour l'ignifugation et la suppression de la fumée, le PVC étant particulièrement important.

III. Sélection de retardateurs de flamme et d'abat-fumée

Dans la technologie ignifuge contemporaine, le « retardateur de flamme » et la « suppression de fumée » sont considérés ensemble. Pour certains polymères, la « suppression de la fumée » est plus importante que le « caractère ignifuge », ce qui rend le développement de retardateurs de flamme anti-fumée très important.

Quelles qualités doit avoir un matériau pour être considéré comme un anti-fumée ?

Lors de la combustion, la flamme est de type diffusif et la convection de l'air transporte les charbons déjà formés dans l'air, ce qui est la raison fondamentale de l'augmentation de la production de fumée.

S’il était possible d’ancrer le charbon déjà formé à la surface du matériau en combustion au lieu de le laisser flotter dans l’air, cela réduirait considérablement la densité de la fumée du matériau.

La clé pour réaliser ce concept est de synthétiser ou de trouver un composé capable de fondre entre 700 et 1 000 ℃ et d’agir comme un adhésif à cette température.

Dans le même temps, lors de la conception de formulations ignifuges sans fumée, il est essentiel de choisir autant que possible des ignifugeants à faible production de fumée. Les densités optiques spécifiques maximales des différents retardateurs de flamme sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Les systèmes ignifuges halogène/antimoine et le phosphore rouge enrobé augmentent la quantité de fumée et la diffusion de gaz toxiques. Ainsi, lors de l'utilisation de systèmes ignifuges au brome, il est nécessaire d'ajouter un inhibiteur de fumée en même temps.

IV. Classification des retardateurs de flamme et des antifumées

En résumé, les antifumées peuvent être divisés en deux grandes catégories : inorganiques et organiques, les antifumées inorganiques étant les plus couramment utilisés.

• Anti-fumée inorganiques

Les antifumées inorganiques sont principalement des oxydes, des hydroxydes et des sels métalliques.

1. Les composés de molybdène sont des suppresseurs de fumée à base d'oxyde métallique couramment utilisés. Les principaux types comprennent le trioxyde de molybdène, l'octamolybdate d'ammonium, le molybdate de calcium, le phosphomolybdate de calcium, le molybdate de zinc et la combinaison de composés de molybdène avec le trioxyde d'antimoine, l'oxyde de cuivre, l'oxyde de fer et l'oxyde de cadmium. Ce sont parmi les plus efficaces pour supprimer la fumée. De nombreux abat-fumée à base de molybdène commercialisés et très efficaces sont le trioxyde de molybdène et l'octamolybdate d'ammonium.

Le mécanisme de suppression de fumée des composés de molybdène consiste à favoriser la carbonisation par réticulation dans la phase condensée, exerçant ainsi un effet de suppression de fumée. Par exemple, les composés de molybdène forment du charbon avec le PVC et d'autres résines pendant la combustion, recouvrant la surface du polymère pour obtenir un retardateur de flamme et une suppression de la fumée.

Le niveau général d'ajout d'agents anti-fumée à base de molybdène se situe entre 2 % et 3 %, ce qui peut réduire la production de fumée de 30 % à 80 %.

2. Le mécanisme de suppression de la fumée des composés de fer consiste à favoriser la carbonisation par réticulation dans la phase condensée et à servir également de catalyseurs d'oxydation, convertissant le carbone présent dans le polymère en monoxyde de carbone et en dioxyde de carbone. Les principaux types comprennent le ferrocène, l'acide ferrocène-1,1'-dicarboxylique, l'oxyde de fer (III), le ferrate de potassium et l'oxalate ferreux, utilisés en combinaison avec des halogénures.

Le ferrocène est un complexe cyclopentadiényle de fer (II). Le ferrocène est de couleur rouge orangé et ne peut pas être utilisé avec des retardateurs de flamme à base de phosphore. De plus, en raison de sa couleur, il n’est pas facile de promouvoir une application généralisée.

Le ferrocène est principalement vendu comme abat-fumée pour le PVC rigide. L'utilisation de 0,5 partie pour 100 parties de PVC peut réduire la production de fumée du PVC rigide de 30 à 70 %.

Au cours du processus de libération de HCl dans le PVC, le ferrocène se transforme rapidement en α-Fe2O3, présent dans la couche de carbone. L'α-Fe2O3 peut provoquer la combustion de la couche carbonisée et catalyser l'oxydation de la couche de carbone en CO et CO2, réduisant ainsi la quantité de noir de carbone formée.

FeCl2 et FeCl3, qui sont des précurseurs de l’α-Fe2O3, sont également des abat-fumée efficaces. Ils améliorent le processus de pyrolyse du PVC, facilitant la production de goudron léger, réduisant ainsi la génération de fumée noire.

3. Les principaux types d’hydroxydes métalliques sont l’hydroxyde d’aluminium et l’hydroxyde de magnésium.

Le mécanisme spécifique de suppression de fumée implique la formation d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de magnésium avec une grande surface pendant le chauffage, qui peuvent adsorber la fumée et la poussière. il favorise la formation de charbon dans la phase solide. la réaction exothermique de l'eau se transformant en vapeur peut diluer les gaz et la fumée inflammables. il peut réagir avec les halogénures d'hydrogène libérés par la décomposition thermique de composés contenant des halogènes (capturant les halogénures d'hydrogène), réduisant ainsi la quantité d'halogénures d'hydrogène gazeux toxiques dans la fumée.

L'effet anti-fumée d'un seul hydroxyde métallique est déjà bon, mais la combinaison directe des deux ou leur utilisation en conjonction avec des composés de molybdène, des oxydes métalliques et des complexes métalliques peut obtenir des résultats encore meilleurs.

4. Les principaux types de sels métalliques comprennent les carbonates tels que le carbonate de calcium, les borates tels que le borate de zinc, les phosphates tels que le phosphate de zinc, les oxalates tels que l'oxalate de chrome et l'oxalate de cuivre, les sulfates tels que le sulfate de zinc, les stannates tels que le stannate de zinc et les aluminates. comme l'aluminate de zinc.

Le mécanisme de suppression de la fumée du CaCO3 implique sa réaction avec les halogénures d'hydrogène présents dans la fumée (captage) pour former du CaCl2 stable. Étant donné que la réaction est une réaction hétérogène solide-gaz, elle ne peut se produire qu’à la surface des particules solides, ce qui fait de la taille des particules de CaCO3 un facteur important dans la suppression des fumées. Seules les particules fines ont une surface spécifique beaucoup plus grande.

Selon les principes de suppression de fumée ci-dessus, tout polymère qui produit des halogénures d'hydrogène lors de la combustion, tel que le chlorure de vinyle, le polyéthylène chlorosulfoné, le caoutchouc chloroprène, etc., peut utiliser du CaCO3 comme anti-fumée.

5. Parmi les nano-ignifuges et anti-fumées, les oxydes métalliques composites nano-double hydroxyde (LDH) sont une classe d'oxydes métalliques composites avec une structure en couches. L'ajout de 3 à 5 parties de LDH au PVC peut réduire de 30 à 50 % la densité maximale de la fumée lors de la combustion du PVC, avec un impact minimal sur ses propriétés mécaniques. En utilisant la méthode de remplissage avec du CaCO3 à l'échelle nanométrique pour la suppression de la fumée, une quantité de remplissage d'environ 10 % seulement peut produire un effet idéal.

6. Les suppresseurs de fumée à couplage réducteur sont des additifs qui favorisent les réactions de couplage et peuvent produire des métaux de valence zéro lorsque les polymères pyrolysent. Ceux-ci comprennent une gamme de carbonyles de métaux de transition, des sels de formiate et d'oxalate de métaux de transition, des complexes de cuivre monovalent. ainsi que des complexes de cuivre monovalent avec des phosphites ou d'autres ligands, etc. Parmi ceux-ci, les composés de cuivre sont l'un des types d'additifs les plus efficaces.

Les composés de cuivre (II) peuvent réduire considérablement la quantité de benzène produite lors de la pyrolyse, et en présence de Cu2O, le degré de réticulation du PVC est considérablement augmenté à des températures comprises entre 200 ℃ et 300 ℃.

Les composés de cuivre provoquent une réticulation par couplage réducteur. Bien que les sels de cuivre ne soient pas enclins à catalyser l'isomérisation des polyènes (isomérisation cis-trans), ils peuvent également agir comme catalyseurs acides faibles pour favoriser l'alkylation de Friedel-Crafts.

En tant qu'agent de couplage réducteur approprié, il doit généralement avoir les propriétés suivantes :

- L'activité électrochimique du métal doit être relativement faible, ce qui signifie que l'ion métallique doit pouvoir être réduit à un état d'oxydation nul.

- Dans les oxydes métalliques, le métal doit être dans un état d'oxydation inférieur, ou le complexe métallique doit avoir un ligand oxydable qui peut être éliminé par réduction thermique pour former un métal de valence inférieure ou nulle.

- L'ion métallique ne doit être réductible qu'à des températures supérieures à la température de traitement du polymère.

- Il doit être peu coûteux, le plus incolore possible et ne pas avoir d'effet néfaste sur la formulation du polymère.

• Auxiliaires de suppression de fumée organique

1. La série Organosiloxane, un nouveau type de retardateur de flamme sans halogène, est également un anti-fumée formant du carbone. Il fournit non seulement aux polymères un excellent retardateur de flamme et une excellente suppression de la fumée, mais améliore également les performances de traitement et la résistance mécanique des matériaux, en particulier la résistance aux chocs à basse température.

Actuellement disponible sur le marché, la série de retardateurs de flamme organosiloxanes comprend le SFR100 produit par la General Electric Company des États-Unis. Il s'agit d'un polymère silicone transparent et visqueux qui peut être utilisé en association avec divers synergistes (sels de stéarate, mélanges d'amines polyphosphoriques et de pentaérythritol, hydroxyde d'aluminium, etc.). Il a été utilisé pour les polyoléfines ignifuges, répondant aux exigences générales en matière d'ignifugation avec de faibles dosages et offrant un excellent retardateur de flamme et une excellente suppression de la fumée avec des dosages plus élevés.

2. Série ferrocène, les principaux types comprennent le ferrocène et certains sels d'acides organiques.

Les composés couramment utilisés sont le ferrocène et certains composés organiques du fer, qui conviennent le mieux comme abat-fumée pour le PVC. La quantité ajoutée est d'environ 1,5 partie.

• Systèmes ignifuges synergiques

Les systèmes ignifuges synergiques font référence à des systèmes ignifuges composés de deux composants (l'un étant un ignifuge et l'autre un synergiste) ou plus, dont l'effet ignifuge est supérieur à la somme des effets des composants individuels.

La qualité d'un système synergique est souvent représentée par « l'efficacité synergique » (SE). SE est défini comme le rapport entre l'efficacité ignifuge (EFF) du système synergique et l'efficacité ignifuge d'un seul ignifugeant (sans synergiste) au même niveau d'addition, et l'EFF est défini comme l'augmentation de l'indice d'oxygène. (LOI) valeur de la matrice ignifugée par unité de masse d'élément ignifuge (dans une certaine plage de niveaux d'addition). Dans la plupart des cas, la valeur SE est calculée sur la base des résultats obtenus avec le système synergique ayant la meilleure efficacité ignifuge.

Les retardateurs de flamme halogénés dans le polystyrène ignifugé, l'ABS et d'autres plastiques peuvent utiliser des complexes d'oxyde d'antimoine et de silicate inorganique comme synergistes. Ce synergiste est peu coûteux et a une faible intensité de couleur.

De plus, des composés composés de composés d'antimoine/composés de magnésium-composés de zinc, lorsqu'ils sont utilisés comme synergistes dans certains systèmes ignifuges, peuvent améliorer le caractère ignifuge et également assurer la suppression de la fumée.

Les complexes de trioxyde d'antimoine et de dioxyde de silicium peuvent être utilisés dans les polyoléfines, l'ABS, le PVC, le caoutchouc synthétique et les revêtements. Des mélanges d'oxyde d'antimoine et de fluoroborates peuvent être utilisés dans diverses résines thermoplastiques et plastiques techniques.

Le complexe composé de composés stéarate de zinc/talc/fer est également un synergiste à faible dégagement de fumée. L'ajout approprié de ce synergiste peut réduire la densité de la fumée de certains plastiques ignifuges contenant des halogènes et augmenter la transmission.

Le trioxyde d'antimoine a également un effet synergique sur le retardateur de flamme MCA PA. Le MCA peut améliorer considérablement les performances ignifuges du PA12 et augmenter l'indice d'oxygène.

Le développement de matériaux ignifuges constitue un domaine d’intérêt clé dans le domaine de la sécurité incendie. Les méthodes ignifuges traditionnelles utilisent généralement des substances qui, bien qu’efficaces pour ralentir la propagation du feu, produisent de grandes quantités de fumée et de gaz toxiques pendant le processus de combustion. Consciente de cela, l'industrie des produits ignifuges a commencé à se tourner vers la production de nouveaux matériaux ignifuges non toxiques et respectueux de l'environnement qui minimisent la production de fumée et la libération de substances nocives.

YINSU Flame Retardants se consacre à la recherche et au développement de solutions ignifuges sans halogène et à faible dégagement de fumée. Notre engagement envers l'innovation a conduit au développement d'une gamme de produits ignifuges qui non seulement respectent des normes de sécurité strictes, mais améliorent également la transformabilité et la résistance mécanique, ce qui les rend parfaitement adaptés au matériau. En bref, YINSU Flame Retardants s'engage à fournir au marché des solutions ignifuges avancées qui donnent la priorité à la sécurité, à la protection de l'environnement et à la performance des matériaux. Grâce à des efforts continus de R&D, nous nous engageons à établir de nouvelles normes dans l'industrie et à garantir que nos produits répondent aux besoins changeants de nos clients et de la communauté mondiale.

Dans le domaine de l’ignifugation, le développement de matériaux qui atténuent les émissions de fumée et évitent l’utilisation d’halogènes est d’une importance capitale. Cela est dû au fait que de nombreux décès liés aux incendies ne sont pas causés par la chaleur mais par les gaz toxiques et nocifs libérés lors de la combustion. La classification et la sélection des retardateurs de flamme et des inhibiteurs de fumée sont cruciales, l'accent étant mis sur les composés inorganiques et organiques capables de réduire efficacement la production de fumée sans compromettre les propriétés du matériau.

YINSU Flame Retardant Company est à la pointe de cette industrie, dédiée à la recherche et au développement de retardateurs de flamme à faible émission de fumée et sans halogène. Nos produits, comme les retardateurs de flamme au phosphore rouge microencapsulés FRP-950X et FRP-8050, sont conçus pour être très efficaces en matière d'ignifugation tout en produisant une densité de fumée. De plus, notre série composite T offre une alternative écologique et sans halogène au trioxyde d'antimoine, permettant une substitution équivalente et maintenant le même niveau de retardateur de flamme. L'engagement de YINSU en faveur de l'innovation dans la technologie ignifuge répond non seulement aux problèmes de sécurité immédiats, mais contribue également à la santé environnementale à long terme en fournissant des solutions durables pour diverses applications dans l'industrie des polymères. En mettant l'accent sur l'excellence et en se consacrant à la responsabilité environnementale, YINSU établit de nouvelles normes dans le domaine de l'ignifugation.