Technologie ignifuge de matériau isolant de mousse rigide de polyuréthane
I. Processus de combustion du matériau isolant en mousse rigide de polyuréthane
Le processus de combustion des matériaux isolants en mousse rigide de polyuréthane et le processus général de combustion des matériaux polymères sont similaires et peuvent être grossièrement divisés en cinq étapes :
II. Technologies ignifuges courantes pour les matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide
À l'heure actuelle, les principales approches techniques pour obtenir l'ignifugation des matériaux polymères comprennent la technologie d'inhibition de la dégradation et de l'oxydation, la technologie ignifuge catalytique, la technologie de réduction des fumées, la technologie ignifuge gazeuse, la technologie de couche de carbone d'isolation thermique, la technologie de modification de greffage et de réticulation et la technologie de refroidissement et de réduction de température.
III. Il existe trois méthodes principales pour l’ignifugation des matériaux polyuréthane :
1. Ajout de composés contenant des éléments tels que le chlore, le brome et le phosphore lors de la synthèse, communément appelés retardateurs de flamme additifs.
2. Introduction d'atomes tels que le chlore, le brome, le phosphore et l'antimoine sur les liaisons isocyanate ou polyol organique des matières premières pour produire des mousses plastiques ignifuges inhérentes, appelées ignifugeants réactifs.
3. Incorporer des groupes à haute résistance thermique dans les matériaux polyuréthane pour améliorer leur caractère ignifuge.
IV. Ignifugeants additifs
Les retardateurs de flamme additifs sont physiquement dispersés dans la matrice polyuréthane sans subir de réactions chimiques avec la matrice ou ses matières premières réactives. Ils sont actuellement largement utilisés dans les applications ignifuges pour les matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide et sont disponibles sous forme liquide et solide. Les retardateurs de flamme liquides ont une mauvaise stabilité et leur pouvoir ignifuge diminue avec le temps. Cependant, ils offrent une large gamme de choix, sont faciles à utiliser, ont un impact minimal sur les réactions de la mousse de polyuréthane, sont économiques et ont un processus simple, ils restent donc des ignifugeants importants pour les matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide.
Les retardateurs de flamme additifs peuvent être divisés en retardateurs de flamme additifs organiques et en retardateurs de flamme additifs inorganiques. Les ignifugeants à additifs inorganiques comprennent principalement l'oxyde d'antimoine, l'hydroxyde d'aluminium (ATH), le phosphate d'ammonium, les borates, le graphite expansible, etc. Les ignifugeants à additifs organiques sont principalement constitués de tris (2 - chloropropyl) phosphate (TCPP), de tris (2 - chloroéthyl) phosphate (TCEP), de tris (dichloropropyl) phosphate (TDCPP), de tétra (2 - chloroéthyl) éthylène diamine diphosphate, de diméthylméthylphosphonate (DMMP), éthers diphényliques polybromés, etc.
1. Ignifugeants à additifs inorganiques
Les retardateurs de flamme inorganiques impliquent généralement de remplir la matrice du matériau isolant en mousse de polyuréthane rigide avec des composés inorganiques. Lorsqu'ils sont chauffés, ces composés se décomposent et absorbent une grande quantité de chaleur, ce qui les rend ignifuges. Les avantages des ignifugeants à additifs inorganiques sont une faible toxicité, une non-volatilité, une bonne stabilité thermique, la non-extraction, des effets ignifuges persistants, un faible coût et une faible génération de fumée. Cependant, leurs inconvénients incluent l'impact du dosage et de la taille des particules sur le caractère ignifuge et les propriétés physiques du matériau, ainsi qu'une tendance à réduire les propriétés de formage et de traitement et les propriétés physiques des polymères. Ces retardateurs de flamme sont généralement solides, ont une forte polarité et un caractère hydrophile et ont une mauvaise compatibilité avec les matériaux polymères non polaires. Leur interaction interfaciale avec la matrice du matériau isolant en mousse de polyuréthane rigide est médiocre, ce qui rend difficile la formation d'une bonne liaison et d'une bonne adhésion. Certains ignifugeants peuvent affecter considérablement les performances ignifuges des matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide lorsqu'ils sont directement ajoutés. Par conséquent, un traitement chimique de ces retardateurs de flamme est nécessaire, tel qu'une modification de surface, un traitement ultrafin et une liaison macromoléculaire. Cela peut réduire le dosage de retardateurs de flamme, réduire la génération de fumée et améliorer les performances des produits en mousse plastique.
2. Ignifugeants à additifs organiques
Les ignifugeants additifs organiques courants sont des composés organiques contenant des éléments ignifuges tels que le phosphore, le brome, le chlore et l'azote. Parmi ceux-ci, les composés organiques du phosphore sont largement utilisés dans la recherche ignifuge sur les matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide. Ils offrent une efficacité ignifuge élevée, une faible viscosité, une bonne compatibilité avec les polyéther polyols, une stabilité thermique modérée et une résistance à la « cokéfaction ».
Le tris (2 - chloroéthyl) phosphate (TCEP) était l'une des variétés les plus anciennes et les plus rentables utilisées dans les matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide. Cependant, il est sujet à la migration et à la volatilisation, ce qui entraîne une mauvaise persistance des retardateurs de flamme. Pour réduire les pertes par volatilisation, des (poly)phosphates hautement chlorés et des phosphates oligomères de masse molaire élevée peuvent être sélectionnés, tels que le tris (dichloropropyl) phosphate et les bisphosphonates halogénés. L'ajout de jusqu'à 20 % de tris (2,2 - dichloropropyl) phosphate à une formulation de mousse rigide peut augmenter l'indice d'oxygène de la mousse jusqu'à 26 %.
Les chercheurs ont étudié l’utilisation du méthylphosphonate de diméthyle (DMMP) comme ignifugeant pour améliorer le caractère ignifuge des matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide. Le DMMP est un ignifuge liquide sans halogène et à haute teneur en phosphore avec une fraction massique de phosphore pouvant atteindre 25 %. Une petite quantité est donc nécessaire. L'ajout de 5 % à la mousse rigide fournit le même effet ignifuge que l'ajout de 14 % de TCEP ou de 18 % de tris (2,3 - dichloropropyl) phosphate.
V. Effets synergiques des retardateurs de flamme
Dans le système ignifuge des matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide, un système synergique couramment utilisé combine des ignifugeants solides et liquides. Étant donné que les retardateurs de flamme solides augmentent la viscosité du matériau tandis que les liquides la diminuent, leur utilisation combinée peut ajuster la viscosité des matériaux réactifs, ce qui donne lieu à des matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide hautement ignifuges.
VI. Ignifugeants réactifs
Les ignifugeants réactifs incorporent des éléments ignifuges dans la réaction de synthèse du polyuréthane, les faisant ainsi partie de la structure de la chaîne principale du matériau polyuréthane. Cela confère aux matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide d'excellentes propriétés ignifuges. Les principaux éléments ignifuges sont les halogènes, le phosphore, l'antimoine, etc. Les diols contenant du phosphore et/ou des halogènes ou les esters cyaniques contenant du chloro ou du brome sont des ignifugeants réactifs pour le polyuréthane. Dans la formulation pour produire des matériaux isolants en mousse de polyuréthane rigide, l'ajout de composés multihydroxylés avec des éléments ignifuges tels que le phosphore, le chlore, le brome, le bore et l'hélium, ou l'introduction d'éléments ignifuges dans les molécules de polyéther polyol ou d'isocyanate utilisées dans la production de mousse de polyuréthane rigide, incorpore des éléments ignifuges dans les molécules de mousse de polyuréthane rigide. Cela permet d'obtenir un caractère ignifuge. Bien que cette méthode offre des avantages tels qu'une bonne persistance ignifuge et un impact minimal sur les propriétés physiques et mécaniques, elle nécessite un équipement spécialisé pour introduire des éléments ignifuges dans le polyéther polyol ou l'isocyanate et implique un processus de production plus complexe.
