Wodorotlenek glinu(ATH, Al(OH)₃), jako najczęściej stosowany i przyjazny dla środowiska, bezhalogenowy, nieorganiczny środek zmniejszający palność na świecie, ma pięć podstawowych zalet: zmniejszanie palności, tłumienie dymu, wypełnianie, nietoksyczność i niski koszt. Jest szeroko stosowany w takich dziedzinach, jak żywica epoksydowa, żywica nienasycona, elastomer PVC, materiał kabla EVA, gumowy materiał kompozytowy, elektroniczny materiał uszczelniający i materiał do dekoracji budynków. W kontekście coraz bardziej rygorystycznych światowych przepisów dotyczących ochrony środowiska i głównego nurtu trendu w zakresie bezhalogenowych środków zmniejszających palność, wodorotlenek glinu stał się preferowanym rozwiązaniem dla wysokiej klasy systemów materiałów zmniejszających palność ze względu na nielotne, niekorozyjne i nietoksyczne właściwości gazu.
Najbardziej podstawowym i podstawowym efektem zmniejszającym palność wodorotlenku glinu jest endotermiczny efekt rozkładu termicznego.
Gdy wypełniony materiał polimerowy zostanie podgrzany do temperatury w zakresie 200°C - 320°C, wodorotlenek glinu ulega całkowitej reakcji odwodnienia, uwalniając wodę krystaliczną i przekształcając się w aktywowany tlenek glinu. Równanie reakcji jest następujące:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Proces ten ma dwie kluczowe właściwości zmniejszające palność:
1. Duża zdolność pochłaniania ciepła: Każdy gram rozkładu wodorotlenku glinu może pochłonąć 1050-1200 J ciepła, co może szybko pochłonąć ciepło spalania na powierzchni i wewnątrz materiału, wymuszając obniżenie temperatury podłoża poniżej krytycznej temperatury rozkładu termicznego, kończąc lub opóźniając w ten sposób spalanie.
2. Dokładny próg temperatury: Temperatura rozkładu jest w dużym stopniu dostosowana do temperatury degradacji termicznej większości materiałów termoplastycznych i żywic termoutwardzalnych, a mechanizm zmniejszający palność można aktywować natychmiast, gdy materiał wejdzie w niebezpieczny zakres temperatur, zapewniając wczesną ochronę.
Proste zrozumienie: wodorotlenek glinu działa jak „układ chłodzący” wewnątrz materiału, pochłaniając dużą ilość ciepła w momencie zapłonu, uniemożliwiając materiałowi utrzymanie temperatury spalania i tłumiąc kontynuację spalania od korzenia.
Podczas procesu odwadniania i rozkładuwodorotlenek glinuuwalnia dużą ilość pary wodnej o wysokiej temperaturze, co jest jego drugą kluczową funkcją zmniejszającą palność.
Para wodna tworzy na powierzchni materiału barierę gazową o dużej gęstości, osiągając potrójne działanie zmniejszające palność:
1. Rozcieńczanie gazów palnych: Gazy palne, takie jak tlenek węgla, alkany i alkeny powstające w wyniku rozkładu termicznego materiałów, są znacznie rozcieńczane przez parę wodną, zmniejszając ich stężenie poniżej granicy spalania.
2. Izolacja tlenu: Para wodna zajmuje powierzchnię styku spalania, ograniczając dyfuzję tlenu z zewnątrz do materiału i tworząc środowisko słabo utleniające.
3. Obniżyć temperaturę fazy gazowej: Zgazowanie pary wodnej dodatkowo pochłania ciepło, obniża temperaturę płomienia i osłabia utrzymujące się promieniowanie cieplne płomienia na podłożu.
W przeciwieństwie do halogenowanych środków zmniejszających palność, para wodna uwalniana przez wodorotlenek glinu jest nietoksyczna, nie powoduje korozji i nie jest rakotwórcza, w pełni spełnia światowe standardy ochrony środowiska, takie jak UE REACH, RoHS i US UL, co czyni ją głównym przedstawicielem zielonych systemów zmniejszających palność.
Po odwodnieniu wodorotlenku glinu na powierzchni materiału utworzy się in situ warstwa białego, gęstego, niepalnego, aktywowanego tlenku glinu (Al₂O₃) o wysokiej temperaturze topnienia.
Tlenek glinu ma temperaturę topnienia do 2050 ℃ i posiada dużą stabilność termiczną oraz wytrzymałość strukturalną, służąc jako potrójna bariera fizyczna:
1. Izoluj przenoszenie ciepła: blokuj zewnętrzne płomienie przed promieniowaniem ciepła na wewnętrzne podłoże i zapobiegaj dalszemu rozkładowi termicznemu materiału.
2. Zablokuj kapanie kropel: Utrwal stopiony polimer, aby zapobiec wtórnemu spalaniu lub rozprzestrzenianiu się ognia spowodowanego kapaniem kropel.
3. Zablokować gazy palne: stłumić ulatnianie się gazów palnych wewnątrz i odciąć dopływ substancji palnych.
Ta warstwa powłoki tlenku glinu nie pali się, nie dymi ani nie pęka i stanowi ważną podstawę fizyczną do osiągnięcia długotrwałej ognioodporności wodorotlenku glinu.
W rzeczywistych wypadkach pożarowych głównymi czynnikami powodującymi szkody są gęsty dym i toksyczne gazy. Podstawową zaletą wodorotlenku glinu w porównaniu z innymi środkami zmniejszającymi palność jest synchroniczne zmniejszanie palności i silne tłumienie dymu.
Mechanizm tłumienia dymu odzwierciedla się w trzech aspektach:
1. Niskotemperaturowe tłumienie wytwarzania dymu i pyłu: wcześniejsze pochłanianie ciepła i chłodzenie w celu ograniczenia czarnego dymu, smoły i toksycznych cząstek powstających w wyniku pękania materiałów w wysokiej temperaturze.
2. Fizyczna adsorpcja cząstek dymu przez warstwę tlenku glinu: Porowata struktura powierzchni może wychwytywać cząsteczki dymu i zmniejszać stężenie dymu.
3. Brak zanieczyszczeń wtórnych: nie wytwarza wysoce toksycznego dymu, takiego jak halogenowodory i dioksyny, i spełnia surowe wymagania dotyczące gęstości dymu w takich dziedzinach, jak budownictwo, transport, materiały wewnętrzne i transport kolejowy.
W zastosowaniach takich jak żywica epoksydowa, materiały kompozytowe SMC/BMC, przewody i kable, dodanie wodorotlenku glinu może zmniejszyć gęstość dymu (DS) materiału o ponad 60%, znacznie poprawiając bezpieczeństwo przeciwpożarowe.
Wodorotlenek glinunie działa samodzielnie i może tworzyć synergiczny efekt karbonizacji z matrycą żywiczną w systemach o wysokim wypełnieniu
1. Warstwa tlenku glinu sprzyja szybkiemu tworzeniu się stabilnej warstwy węgla na powierzchni podłoża;
2. Absorpcja ciepła i odwodnienie przyspieszają zagęszczanie warstwy węgla, zwiększając jej zdolność przeciwutleniającą;
3. Skróć czas spalania, spraw, aby materiał zgasł samoczynnie i natychmiast przestań się palić po opuszczeniu płomienia.
Ten efekt synergistyczny umożliwia wodorotlenkowi glinu wykazanie skuteczności zmniejszania palności znacznie przewyższającej skuteczność zwykłych nieorganicznych wypełniaczy w żywicach epoksydowych o dużej zawartości wypełniaczy, nienasyconych poliestrach i elastomerach.
Biorąc pod uwagę powyższe efekty, wodorotlenek glinu nie osiąga ognioodporności poprzez pojedynczy mechanizm, ale raczej poprzez jednoczesne występowanie czterech funkcji: absorpcji ciepła i chłodzenia, rozcieńczania w fazie gazowej, izolacji w fazie stałej, tłumienia dymu i wiązania stałego węgla, tworząc kompletną trójwymiarową sieć zmniejszającą palność:
1. Absorpcja ciepła: wymuszone chłodzenie, aby zapobiec ciągłej pirolizie materiałów;
2. Uwalnianie wody: rozcieńczyć tlen i gazy palne;
3. Tworzenie powłoki: tworzenie warstwy izolacyjnej z tlenku glinu;
4. Tłumienie dymu: Zredukuj toksyczny dym i zwiększ bezpieczeństwo.
Jest to również podstawowy powód, dla którego wodorotlenek glinu może stać się głównym materiałem w światowej dziedzinie bezhalogenowych środków zmniejszających palność.
