I. Propriétés ignifuges et défis du PVC
Le PVC (polychlorure de vinyle) contient jusqu'à 56 % de chlore en poids. Lorsqu'il est brûlé, il libère du chlorure d'hydrogène (HCl) gazeux et présente certaines propriétés auto-extinguibles (indice limite d'oxygène, LOI ≈ 45 %). Cependant, les défis suivants existent dans les applications pratiques :
1. PVC flexible : l'ajout de plastifiants (tels que le DOP et le DINP) réduit considérablement la LOI (à moins de 20 %), nécessitant l'ajout de retardateurs de flamme ;
2. Fumée et toxicité : La combustion libère du HCl, des dioxines et une fumée dense ;
3. Stabilité thermique : Il est sujet à la décomposition lors du traitement à haute température, nécessitant l’utilisation synergique de stabilisants thermiques et de retardateurs de flamme.
II. Types de retardateurs de flamme dans les plastiques PVC
1. Ignifugeants à base d'halogène
• Retardateurs de flamme chlorés : tels que la paraffine chlorée ; ceux contenant 50 % de chlore sont principalement utilisés comme plastifiants auxiliaires pour les plastiques PVC, tandis que ceux contenant 70 % de chlore sont principalement utilisés comme retardateurs de flamme.
2. Retardateurs de flamme à base de phosphore
• Retardateurs de flamme inorganiques à base de phosphore : tels que le phosphore rouge et le polyphosphate d'ammonium (APP). Le phosphore rouge est très efficace comme ignifugeant mais présente une mauvaise compatibilité avec les résines et nécessite une microencapsulation.
• Ignifugeants organiques à base de phosphore : tels que les esters phosphatés et le phosphaphénanthrène. Les esters phosphatés servent à la fois de retardateurs de flamme et de plastifiants et sont couramment utilisés dans le PVC flexible.
3. Retardateurs de flamme à base d'azote : tels que la mélamine et le cyanurate de mélamine (MCA), qui sont souvent utilisés en combinaison avec des retardateurs de flamme à base de phosphore.
4. Retardateurs de flamme inorganiques : tels que le sulfate d'aluminium trihydraté et la nano-silice.
III. utilisés Ignifugeants synergiques couramment
1. Retardateur de flamme au trioxyde d’antimoine : généralement utilisé en conjonction avec des retardateurs de flamme halogénés. Au cours de la phase initiale de combustion, le trioxyde d'antimoine fond en premier, formant un film protecteur à la surface du matériau PVC qui l'isole de l'air ; il abaisse la température de combustion grâce à une réaction endothermique au sein du matériau ; à haute température, le trioxyde d'antimoine se vaporise, diluant la concentration d'oxygène dans l'air et fournissant ainsi un effet ignifuge ; Lorsqu'il est utilisé en conjonction avec des chlorures générés par la combustion dans le PVC, le chlorure d'antimoine résultant capture les radicaux libres à l'état gazeux, contribuant ainsi à l'ignifugation. Par exemple, l’ajout de trioxyde d’antimoine aux composés de câbles en PVC augmente l’indice d’oxygène, améliorant ainsi leurs propriétés ignifuges. Le trioxyde d'antimoine qui a subi un traitement spécial offre non seulement un caractère ignifuge, mais réduit également les émissions de fumée, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans les composés de câbles en PVC .
2. Hydroxyde d’aluminium : Il réduit les émissions de fumée du PVC et améliore ses propriétés ignifuges. Lorsqu'il est décomposé par la chaleur, il absorbe une grande quantité de chaleur et l'oxyde d'aluminium résultant forme un film protecteur sur la surface du matériau, l'isolant de l'oxygène et de la chaleur. Dans le même temps, la vapeur d’eau produite lors de la décomposition dilue les concentrations de gaz inflammables et d’oxygène.
3. Hydroxyde de magnésium : Il se décompose pour produire de l'oxyde de magnésium et de l'eau, assurant ainsi une bonne suppression de la fumée. À mesure que la taille des particules diminue, l’indice d’oxygène du PVC augmente, tandis que le taux maximum de dégagement de fumée et la densité de fumée diminuent. De plus, il a un impact minimal sur les propriétés mécaniques du PVC et peut répondre à certaines exigences d’application.
4. Phosphore rouge : Le phosphore rouge microencapsulé est généralement utilisé, offrant des avantages tels que de faibles niveaux d'ajout, une efficacité ignifuge élevée, une faible émission de fumée et une faible toxicité. Lorsqu'il est brûlé, il forme de l'acide métaphosphique, qui polymérise ensuite en une phase polymère stable, créant une couche protectrice sur le plastique qui l'isole de l'oxygène. Dans le même temps, le phosphore rouge peut également être mélangé à d’autres retardateurs de flamme inorganiques pour réduire la quantité de retardateur de flamme requise et améliorer le traitement et les propriétés physico-mécaniques du PVC.
5. Ignifugeants à base de silicone : ils utilisent des organosilicium et des organobores comme supports et chélatent divers groupes fonctionnels. Lorsqu'ils sont utilisés en combinaison avec divers systèmes ignifuges, ils forment des gaz à petites molécules qui isolent l'oxygène pendant la combustion, diluent les gaz inflammables et absorbent la chaleur pour réduire la température. Cela favorise la carbonisation et la formation d'un film de la matrice polymère après combustion, améliorant ainsi l'efficacité ignifuge et supprimant l'écoulement de la matière fondue. De plus, ils améliorent la compatibilité de phase entre les différents composants et la matrice polymère des matériaux composites, améliorant ainsi les propriétés mécaniques du matériau.
6. Retardateurs de flamme à base d'azote : Les exemples incluent les triazines et leurs dérivés, ainsi que la mélamine. Bien que leur efficacité soit limitée lorsqu’ils sont utilisés seuls, ils produisent un effet synergique lorsqu’ils sont associés à des retardateurs de flamme à base de phosphore. Les ignifugeants composites, tels que ceux composés de mélamine et de polyphosphates, peuvent améliorer le caractère ignifuge du PVC.
IV. Normes d’indice de retardateur de flamme pour les plastiques PVC
Les normes courantes incluent la norme UL 94, qui est divisée en classifications V-0, V-1, V-2 et HB. L'indice V-0 répond aux exigences les plus élevées : l'échantillon d'essai doit s'auto-éteindre dans les 10 secondes sans qu'aucun matériau coulant n'enflamme les peluches ou matériaux similaires ; la cote HB présente les exigences les plus basses et est basée sur un test de combustion horizontale, la cote étant déterminée par la vitesse de combustion.
V. Mécanisme d'action des retardateurs de flamme
1. Absorption de la chaleur : les retardateurs de flamme subissent une réaction endothermique à haute température, abaissant la température de surface du matériau combustible et réduisant la génération de gaz inflammables, supprimant ainsi la combustion.
2. Effet de revêtement : pendant la combustion, les retardateurs de flamme forment un revêtement solide ou liquide qui isole le matériau de l'oxygène et empêche la combustion.
3. Inhibition des réactions en chaîne : les ions halogénures générés par la décomposition des composés halogènes réagissent avec les radicaux libres pendant la combustion, réduisant ainsi la concentration de radicaux libres et ralentissant ainsi le taux de combustion.
4. Suffocation par des gaz ininflammables : Par exemple, les retardateurs de flamme à base d'azote se décomposent pour produire des gaz ininflammables, qui diluent les gaz inflammables et réduisent le taux de combustion.
5. Effet de carbonisation : les retardateurs de flamme à base de phosphore produisent de l'acide phosphorique, de l'acide métaphosphorique et d'autres composés pendant la combustion, favorisant la carbonisation à la surface des plastiques et formant une couche de charbon qui isole de la chaleur et bloque l'oxygène.
VI. Applications des retardateurs de flamme
1. Profils PVC-U : Dans les profilés PVC-U, l'ajout d'esters de phosphate de chloramine améliore considérablement le caractère ignifuge, tandis que des retardateurs de flamme inorganiques tels que la nano-silice et le trihydrate de sulfate d'aluminium peuvent également être utilisés pour améliorer l'isolation thermique et la stabilité thermique.
2. Composés de câbles en PVC : Les retardateurs de flamme tels que les paraffines chlorées et les esters de phosphate sont couramment utilisés pour améliorer le caractère ignifuge et la résistance à la chaleur des câbles.
3. Tuyaux en PVC : Dans les tuyaux en PVC utilisés dans la construction, les retardateurs de flamme inorganiques tels que la nano-silice peuvent supprimer efficacement la propagation des flammes pendant la combustion.
VII. Analyse d'études de cas classiques
1. Modification ignifuge des composés de câbles en PVC : en ajoutant une quantité appropriée de paraffine chlorée et du mélange maître de phosphore rouge FRP-950X de Yinsu Flame Retardant Company — à une concentration de 2 % — aux composés de câbles en PVC, les performances ignifuges des câbles sont considérablement améliorées, leur permettant de répondre à la norme UL 94 V0 et de remplacer entièrement le trioxyde d'antimoine. Grâce à cette modification, la chaleur générée et la densité des fumées produites lors de la combustion du câble sont réduites, tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques.
2. Applications ignifuges pour les profilés PVC-U : Dans les profilés PVC-U utilisés dans la construction, du phosphate de chloramine et de la nano-silice sont ajoutés. Lors de la combustion, le phosphate de chloramine libère des gaz d'azote et de chlore, formant une couche de charbon qui empêche la propagation du feu ; la nano-silice, avec ses caractéristiques de particules fines, inhibe la propagation des flammes et la conduction thermique. Ce système ignifuge composite améliore considérablement les performances ignifuges des profilés PVC-U, les rendant plus sûrs pour une utilisation dans les applications de construction.
Comme le montre l'analyse ci-dessus, le caractère ignifuge du PVC doit prendre en compte ses caractéristiques inhérentes (teneur élevée en chlore, sensibilité du traitement) et atteindre une efficacité élevée, une faible toxicité et un faible coût grâce à l'utilisation synergique de mélanges ignifuges (tels que des inhibiteurs de fumée phosphore-hydroxyde métallique). L'application de produits ignifuges dans les plastiques PVC revêt une grande importance, car elle améliore non seulement la sécurité incendie du matériau, mais préserve également ses excellentes propriétés physiques et mécaniques.
