У науці про пожежну безпеку «придушення диму» та «вогнестійкість» однаково важливі, але мають різні механізми як основні цілі.Борат цинку(на прикладі 2ZnO·3B₂O3·3,5H₂O) широко відомий як ефективний синергіст димоподавлення. Його видатна продуктивність пояснюється не однією дією, а скоріше результатом багатоетапної, багатомасштабної хімічної та фізичної синергії, яка відбувається одночасно в конденсованій фазі та газовій фазі та проходить через увесь процес згоряння. У цій статті буде систематично проаналізовано, як контролювати утворення та виділення диму з джерела шляхом побудови «тривимірної мережі придушення диму».
По-перше, слід уточнити, що дим – це в основному аерозоль, що складається із зважених частинок вуглецю (сажі) і конденсованих органічних крапель, що утворюються в результаті неповного згоряння полімерів. Таким чином, суть придушення диму полягає в:
1. Сприяти повному окисленню та зменшити утворення частинок вуглецю.
2. Захоплюйте та фіксуйте частинки вуглецю, щоб запобігти їх виходу.
3. Змініть шлях реакції горіння, щоб зменшити органічні летючі речовини.
Борат цинку розробляє свій проект систематичного придушення диму навколо цих трьох пунктів.
Ефект придушення диму боратом цинку можна чітко розділити на три безперервні етапи, що залежать від температури, які можна точно перевірити за допомогою тестування щільності диму за допомогою термогравіметричної інфрачервоної спектроскопії (TGA-FTIR) і конічного калориметра.
У цьому температурному діапазоні борат цинку виділяє кристалічну воду:
· Механізм і функція:
· Охолодження: випаровування води є сильним ендотермічним процесом, який ефективно охолоджує полімерну матрицю, уповільнює її термічний розпад і, таким чином, зменшує швидкість утворення горючих газів і попередників диму.
· Фізичне розведення: вивільнена водяна пара розбавляє концентрацію летких продуктів піролізу та кисню в зоні полум’я, що не тільки допомагає придушити горіння, але й сприяє газофазному окисленню деяких конденсованих летких компонентів, роблячи їх більш схильними до перетворення на CO₂ і H₂O, а не на сажу.
Це найважливіший крок у придушенні диму за допомогою борату цинку. Після дегідратації метаборат цинку (2ZnO·3B₂O3) плавиться з утворенням в’язкого, непроникного бор-цинку й кисню склоподібного розплаву, який покриває поверхню полімеру та вуглецевий шар, що утворюється.
· Механізм і функція:
1. Фізичний бар’єр і захоплення: цей шар розплавленого скла схожий на «липкий фільтр», який може ефективно захоплювати та інкапсулювати частинки вуглецю (сажу) і макромолекули, подібні до смоли, які вириваються з полімерного тіла, затримуючи їх у конденсованій фазі та запобігаючи потраплянню в газову фазу з утворенням диму.
2. Каталітичне окислення: розплавлені борати є чудовими каталізаторами окислення. Він може каталізувати глибоке окислення частинок вуглецю та органічних фрагментів, захоплених ним на межі розділу конденсованої газової фази, перетворюючи їх на CO₂, тим самим безпосередньо «усуваючи» потенційні речовини диму в джерелі.
3. Сприяння утворенню вугілля: цей скляний шар може стабілізувати та покращити структуру розширеного шару вугілля. Більш повний шар обвуглення означає, що утворюється менше піролізних горючих речовин, побічно зменшуючи викиди диму.
При більш високих температурах система зрештою утворює стабільний, пористий, але міцний залишковий шарборат цинку/вуглець/металооксидна композитна кераміка.
· Механізм і функція: цей залишковий шар має надзвичайно високу термічну стабільність і може служити тривалим бар’єром для теплоізоляції, запобігаючи подальшому розкладанню внутрішніх матеріалів і подальшому утворенню диму, забезпечуючи довготривалу ефективність придушення диму.
Здатність боротату цинку до придушення диму значно покращується при змішуванні з іншими антипіренами, що відображає його основну цінність як синергічного агента.
·Синергетичний ефект з галогенами (такими як Cl у ПВХ):
·У галогенованих системах борат цинку може реагувати з вивільненими галогеноводнями (HCl) з утворенням хлориду цинку (ZnCl₂) і оксихлориду бору.
·ZnCl ₂ є сильнішим кислотним каталізатором Льюїса, який може активніше каталізувати реакції зшивання та ароматизації полімерів (таких як ПВХ), сприяючи швидкому утворенню щільного шару вугілля (тобто «каталітичного вугілля»), тим самим перешкоджаючи утворенню сажі на ранній стадії. Це класичний потрійний синергічний механізм димоподавлення «бор-цинк-галоген».
·Синергетичний ефект з гідроксидами металів (ATH/MDH):
·Існує хороша кореляція між температурою розкладання борату цинку та ATH/MDH. ATH/MDH розкладає та поглинає тепло, зневоднює та пригнічує дим при нижчих температурах (~200-300 ℃), тоді як борат цинку продовжує працювати при вищих температурах (~300-500 ℃), утворюючи «температурне реле» та розширюючи ефективний температурний діапазон усього ефекту придушення диму.
1. Розмір частинок і дисперсія: ультрадрібний і рівномірно диспергований борат цинку може забезпечити більшу реакційну питому площу поверхні, завдяки чому шар розплавленого скла покривається швидше і щільніше, і має вищу ефективність придушення диму.
2. Стан гідратації: температура розкладання та поведінка плавлення тригідрату, моногідрату та безводного борату цинку відрізняються, і відповідний вибір слід робити на основі температури розкладання полімерної матриці для оптимізації синергії стадії.
3. Сума додавання: є вікно оптимальної суми додавання. Занадто низький, щоб утворити суцільний і ефективний шар покриття; Надмірні значення можуть вплинути на механічні властивості матеріалів і більше не суттєво покращують ефективність придушення диму.
Тестування конусним калориметром є золотим стандартом для кількісної оцінки ефективності придушення диму. Додавання високоякісних цинкборатних полімерних матеріалів зазвичай призводить до наступних змін даних:
·Питома площа гасіння (SEA) і коефіцієнт димоутворення (SPR) значно зменшилися (до 30% -60%).
· Суттєве зниження загального димовиділення (TSR).
· Мікроструктура залишкового вуглецю (спостереження SEM) показує більш щільну, суцільну та склоподібну структуру поверхні.
Таким чином, механізм димоподавленняборат цинкуце не простий результат однієї хімічної реакції, а скоріше ретельно розроблена «багатоступенева система захисту»:
·Рання стадія (ендотермічне розведення): затримка утворення попередників диму фізичними та хімічними засобами.
·Середня стадія (каталіз розплаву): захоплення та перетворення частинок диму на межі фаз шляхом фізичного захоплення та хімічного каталізу.
· Пізніша стадія (стабільний бар’єр): утворюючи стабільний залишковий вуглець, він запобігає безперервному утворенню диму.
Він ідеально втілює роль «синергічного агента» — він може самостійно виконувати чудову функцію придушення диму в системах без галогенів, а також може підвищити загальне придушення диму та ефективність вогнезахисної системи на нову висоту завдяки хімічним реакціям з іншими компонентами галогенованих або неорганічних систем наповнення.
Таким чином, для розробників матеріалів, які прагнуть до вищих рівнів пожежної безпеки (не тільки негорючий, але також низький дим і низька токсичність), борат цинку є не варіантом, а необхідним варіантом, заснованим на глобальній перспективі хімії горіння. Він представляє передову концепцію дизайну від пасивного вогнестійкого до активного, чистого та вогнестійкого.
Чи мають ваші полімерні матеріали відповідати суворим стандартам токсичності диму (таким як EN 45545, NFPA 130)? Ми можемо надати повне рішення від вибору найкращої моделі борату цинку, розробки схем компаундування до перевірки ефективності придушення диму повного комплекту конусного калориметра, допомагаючи вашому продукту досягти подвійного лідерства в аспектах безпеки та захисту навколишнього середовища.
