Recherche sur la technologie d'ignifugation et de suppression de fumée du chlorure de polyvinyle (PVC)
La résine de chlorure de polyvinyle (PVC) possède de nombreuses excellentes propriétés, telles qu'une bonne aptitude au traitement, une excellente isolation, un faible coût, une modification facile, une résistance à l'usure et à la corrosion, de bonnes propriétés mécaniques complètes et une longue durée de vie. Il est largement utilisé dans divers domaines, notamment l’industrie, l’agriculture, les transports, la construction, la communication et la santé. La résine PVC elle-même est hautement ignifuge et auto-extinguible. Les produits en PVC sans plastifiants ont un bon pouvoir ignifuge, avec une teneur en chlore de 56 % et un indice limite d'oxygène (LOI) allant jusqu'à 50, ce qui en fait un excellent matériau ignifuge. Cependant, lors du traitement et de l'utilisation, de grandes quantités de plastifiants sont souvent incorporées pour améliorer la flexibilité et la durabilité des produits. Malheureusement, l'incorporation de grandes quantités de plastifiants réduit considérablement son caractère ignifuge, faisant perdre au PVC ses propriétés auto-extinguibles et devenir un matériau combustible. De plus, le PVC rigide et flexible génère de grandes quantités de fumée lors de sa combustion. Cette fumée dense contient de nombreux gaz toxiques et nocifs tels que le monoxyde de carbone, les composés benzéniques, le chlorure d'hydrogène, etc., provoquant une suffocation et une perte de discernement, entravant finalement la capacité d'identifier et de choisir des voies d'évacuation. Cela crée une pollution de l'environnement et menace la vie humaine et la sécurité des biens, créant ainsi un grave risque d'incendie. Les statistiques montrent que 82,5 % des décès par incendie sont causés par la suffocation due aux gaz toxiques produits lors de la combustion. Par conséquent, le renforcement de la recherche sur l’ignifugation et la suppression de la fumée du PVC revêt une importance pratique considérable.
I. Mécanisme de génération de fumée du chlorure de polyvinyle
Les principaux produits générés après la pyrolyse des polymères aromatiques comprennent le HCl, les polyènes, le benzène, les composés aromatiques, les oléfines de faible poids moléculaire et les alcanes. Ces produits pyrolysent davantage pour produire de grandes quantités de fumée noire. Lors de la combustion du PVC, le HCl est éliminé, formant des hydrocarbures insaturés à double liaison conjuguée. En raison du clivage de la chaîne carbonée, des produits de faible poids moléculaire et des radicaux libres sont produits. Le réarrangement moléculaire et la cyclisation forment des noyaux de benzène, qui se polymérisent ensuite en résine avec une structure de cycle aromatique condensée. Par conséquent, le PVC produit une fumée noire importante lors de sa combustion. En particulier lorsque de grandes quantités de plastifiants sont incorporées au PVC, les molécules de plastifiant participent à des réactions chimiques à haute température des produits intermédiaires, générant de grandes quantités de fumée noire lors de la combustion, augmentant ainsi considérablement le rendement en fumée de la combustion du PVC.
II. Discussion sur le mécanisme de suppression de fumée du PVC
Le processus de combustion des produits en PVC peut être divisé en trois étapes : la décomposition du produit lors du chauffage pour produire des gaz combustibles, la combustion de ces gaz dans un environnement contenant de l'oxygène et la chaleur générée entretenant la combustion d'un matériau fondu ou solide. Par conséquent, l'ignifugation peut être obtenue en interrompant une ou plusieurs de ces étapes grâce à des mécanismes tels que l'ignifugation en phase condensée, l'ignifugation en phase gazeuse, l'interruption de l'échange thermique et l'ignifugation intumescente. L'ignifugation en phase condensée implique des retardateurs qui retardent ou empêchent la décomposition thermique dans la phase solide. L'ignifugation en phase gazeuse implique des retardateurs qui retardent ou interrompent la réaction de combustion en chaîne dans la phase gazeuse. L'interruption de l'échange thermique implique des retardateurs qui éliminent une partie de la chaleur générée lors de la combustion du PVC, réduisant ainsi la chaleur absorbée par le matériau en dessous de sa température de décomposition, réduisant ainsi la génération de gaz inflammables et provoquant une auto-extinction. L'ignifugation intumescente combine des mécanismes en phase condensée et en phase gazeuse, les réactions se produisant principalement dans la phase condensée mais impliquant également la phase gazeuse.
III. Méthodes pour l'ignifugation du PVC et la suppression de la fumée
1. Utiliser des plastifiants ignifuges au lieu de plastifiants conventionnels
L'ajout de plastifiants inflammables couramment utilisés pour le PVC, tels que le phtalate de dioctyle (DOP), diminue l'indice d'oxygène du PVC. Par conséquent, le remplacement partiel ou total des plastifiants inflammables conventionnels par des plastifiants ignifuges couramment utilisés pour le PVC flexible, tels que les phosphates de triaryle et les phosphates d'alkyldiaryl, constitue une méthode permettant d'améliorer le caractère ignifuge des produits en PVC plastifié. Cependant, pour obtenir de meilleurs effets ignifuges, les phosphates sont généralement utilisés en combinaison avec d’autres ignifugeants, tirant parti des effets synergiques pour des performances améliorées.
2. Utilisation d'additifs inorganiques
Les additifs inorganiques font partie des retardateurs de flamme et des inhibiteurs de fumée les plus étudiés et appliqués ces dernières années. Ceux appliqués au PVC comprennent principalement les métaux de transition, leurs oxydes, sels, etc., tels que les composés de cuivre, de molybdène, de fer, d'étain, de zinc et de plomb.
Les systèmes clés comprennent :
Système magnésium-aluminium-bore : Al(OH)₃ et Mg(OH)₂ sont les retardateurs de flamme les plus largement utilisés dans le monde.
Systèmes antimoine-bismuth et silicium-étain : les retardateurs de flamme à base d'antimoine sont des options traditionnelles. Les composés de silicium et d'étain sont souvent utilisés comme inhibiteurs de fumée pour le PVC en combinaison avec d'autres retardateurs de flamme.
Système cuivre-zinc : des recherches approfondies montrent que les composés de cuivre sont des abat-fumée très efficaces. Les composés du système cuivre-zinc offrent des avantages tels qu'une efficacité ignifuge élevée, une faible toxicité et un coût relativement faible, ce qui en fait l'un des systèmes ignifuges à développement le plus rapide.
Système fer-cobalt-nickel : les composés de fer comprennent principalement Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₂O₃·H₂O, FeSO₄, les composés de cobalt comprennent Co(acac)₂ (acétylacétonate de cobalt), CoCO₃, les composés de nickel comprennent NiO, Ni(acac)₂, NiC₂O₄.
Système molybdène-tungstène-manganèse : les composés du molybdène sont principalement ses sels et oxydes inorganiques, le MoO₃ (trioxyde de molybdène) étant prédominant dans son état hexavalent. Les composés de manganèse comprennent MnCO₃, Mn₂O₃, MnSO₄.
Système titane-zirconium-vanadium : TiO₂, Zr(acac)₄ (acétylacétonate de zirconium) et VO(acac)₂ (acétylacétonate de vanadyle) présentent de bons effets de suppression de fumée.
3. Utilisation de la technologie de réticulation
La technologie de réticulation est une méthode relativement nouvelle appliquée au retardateur de flamme du PVC ces dernières années. Des méthodes telles que le rayonnement, l’ajout d’oxydes métalliques ou l’ajout de peroxydes peuvent réticuler les polymères. L'effet ignifuge synergique de la réticulation sur le PVC flexible est particulièrement utile en pratique. L’amélioration de l’efficacité ignifuge des systèmes inorganiques grâce à la technologie de réticulation fait l’objet d’une attention croissante et représente un nouveau domaine potentiellement à forte croissance dans la recherche sur les ignifuges.
En résumé, le PVC est susceptible de générer de grandes quantités de fumée noire et de gaz toxiques lors de sa combustion, ce qui présente des risques importants pour la sécurité. L'utilisation de méthodes telles que des plastifiants ignifuges, l'introduction d'additifs inorganiques comme le cuivre et le zinc et la modification de la réticulation peuvent améliorer efficacement ses propriétés ignifuges et de suppression de fumée. La combinaison de plusieurs mécanismes ignifuges pour des effets synergiques est essentielle pour améliorer la sécurité du PVC, ce qui revêt une grande importance pour la sauvegarde de la vie humaine et de l'environnement.
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