Гидроксид алюминия(ATH, Al(OH)₃), как наиболее широко используемый и экологически чистый безгалогенный неорганический антипирен в мире, имеет пять основных преимуществ: огнестойкость, подавление дыма, наполнение, нетоксичность и низкая стоимость. Он широко используется в таких областях, как производство эпоксидной смолы, ненасыщенной смолы, эластомера ПВХ, кабеля из этиленвинилацетата, резинового композитного материала, электронного уплотнительного материала и строительного декоративного материала. На фоне все более строгих глобальных экологических норм и господствующей тенденции использования безгалогенных антипиренов гидроксид алюминия стал предпочтительным решением для огнезащитных систем из высококачественных материалов благодаря своим нелетучим, некоррозионным и нетоксичным газовым характеристикам.
Самым основным и фундаментальным огнезащитным эффектом гидроксида алюминия является эндотермический эффект термического разложения.
Когда наполненный полимерный материал нагревается до температуры 200–320°C, гидроксид алюминия подвергается реакции полной дегидратации, выделяя кристаллическую воду и превращаясь в активированный оксид алюминия. Уравнение реакции выглядит следующим образом:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Этот процесс имеет две ключевые огнезащитные характеристики:
1. Сильная способность поглощения тепла: каждый грамм разложения гидроксида алюминия может поглощать 1050-1200 Дж тепла, что может быстро поглощать тепло сгорания на поверхности и внутри материала, заставлять температуру подложки быть ниже критической температуры термического разложения, тем самым прекращая или задерживая горение.
2. Точный температурный порог: температура разложения точно соответствует температуре термического разложения большинства термопластичных материалов и термореактивных смол, а огнестойкий механизм может активироваться немедленно, когда материал попадает в опасный температурный диапазон, обеспечивая раннюю защиту.
Простое понимание: Гидроксид алюминия представляет собой своеобразную «систему охлаждения» внутри материала, поглощающую большое количество тепла в момент воспламенения, что делает невозможным поддержание материалом температуры горения и подавляет продолжение горения от корня.
В процессе обезвоживания и разложениягидроксид алюминиявыделяет большое количество высокотемпературного водяного пара, что является его второй ключевой огнезащитной функцией.
Водяной пар образует газовый барьер высокой плотности на поверхности материала, обеспечивая тройной огнезащитный эффект:
1. Разбавление горючих газов. Горючие газы, такие как окись углерода, алканы и алкены, образующиеся в результате термического разложения материалов, сильно разбавляются водяным паром, снижая их концентрацию до уровня ниже предела горения.
2. Изоляция кислорода: водяной пар занимает пространство поверхности раздела горения, уменьшая диффузию внешнего кислорода в материал и создавая слабоокислительную среду.
3. Уменьшите температуру газовой фазы: газификация водяным паром дополнительно поглощает тепло, снижает температуру пламени и ослабляет устойчивое тепловое излучение пламени на подложку.
В отличие от галогенированных антипиренов, водяной пар, выделяемый гидроксидом алюминия, нетоксичен, не вызывает коррозии и не канцерогенен и полностью соответствует мировым экологическим стандартам, таким как EU REACH, RoHS и US UL, что делает его основным представителем экологически чистых огнезащитных систем.
После дегидратации гидроксида алюминия на поверхности материала образуется слой белого, плотного, негорючего активированного оксида алюминия с высокой температурой плавления (Al₂O₃).
Оксид алюминия имеет температуру плавления до 2050 ℃, обладает высокой термической стабильностью и структурной прочностью, служа тройным физическим барьером:
1. Изолировать передачу тепла: заблокировать внешнее пламя от излучения тепла на внутреннюю подложку и предотвратить дальнейшее термическое разложение материала.
2. Блокируйте капание капель: зафиксируйте расплав полимера, чтобы предотвратить вторичное возгорание или распространение огня, вызванное капанием капель.
3. Заблокировать горючие газы: подавить выход внутренних горючих газов и перекрыть подачу горючих веществ.
Этот слой оболочки из оксида алюминия не горит, не дымит и не разрушается и является важной физической основой для достижения длительной огнестойкости гидроксида алюминия.
В реальных пожарах густой дым и токсичные газы являются основными факторами, причиняющими вред. Основным преимуществом гидроксида алюминия по сравнению с другими антипиренами является синхронное замедление горения и сильное подавление дыма.
Его механизм подавления дыма отражается в трех аспектах:
1. Низкотемпературное подавление образования дыма и пыли: предварительное поглощение тепла и охлаждения для уменьшения черного дыма, смолы и токсичных частиц, образующихся в результате высокотемпературного растрескивания материалов.
2. Физическая адсорбция частиц дыма слоем оксида алюминия: пористая структура поверхности может улавливать частицы дыма и снижать концентрацию дыма.
3. Отсутствие вторичного загрязнения: не образует высокотоксичного дыма, такого как галогеноводороды и диоксины, и соответствует строгим требованиям к плотности дыма в таких областях, как строительство, транспорт, внутренние материалы и железнодорожный транспорт.
В таких областях применения, как эпоксидная смола, композитные материалы SMC/BMC, провода и кабели, добавление гидроксида алюминия может снизить плотность дыма (DS) материала более чем на 60%, что значительно повышает пожаробезопасность.
Гидроксид алюминияне действует в одиночку и может создавать синергетический эффект карбонизации со смоляной матрицей в системах с высоким наполнением
1. Слой оксида алюминия способствует быстрому образованию стабильного углеродного слоя на поверхности подложки;
2. Поглощение тепла и обезвоживание ускоряют уплотнение углеродного слоя, повышая его антиоксидантную способность;
3. Сократите время горения, сделайте материал самозатухающим и немедленно прекратите горение после выхода из пламени.
Этот синергетический эффект позволяет гидроксиду алюминия проявлять огнезащитную эффективность, значительно превышающую эффективность обычных неорганических наполнителей в высоконаполненных эпоксидных смолах, ненасыщенных полиэфирах и эластомерах.
Принимая во внимание вышеуказанные эффекты, гидроксид алюминия не обеспечивает огнестойкость за счет одного механизма, а скорее за счет одновременного выполнения четырех функций: поглощения и охлаждения тепла, разбавления газовой фазы, изоляции твердой фазы, подавления дыма и фиксации твердого углерода, образуя полную трехмерную огнезащитную сеть:
1. Поглощение тепла: принудительное охлаждение для предотвращения непрерывного пиролиза материалов;
2. Выброс воды: Разбавьте кислород и горючие газы;
3. Формирование оболочки: формирование изоляционного слоя из оксида алюминия;
4. Подавление дыма: Уменьшите токсичный дым и повысьте безопасность.
Это также основная причина, по которой гидроксид алюминия может стать основным материалом в глобальной области безгалогенных антипиренов.
