Антипирены: виды составов и принцип работы

Антипирены: виды составов и принцип работы

29 дек 2021

Антипирены: виды составов и принцип работы

Василий Карпов
Автор статьи
Ведущий технический специалист ЭкоПирен
  • 7 лет опыта
  • Экспертные области: полимеры, технологии компаундирования и переработки, трудногорючие и конструкционные компаунды
Статьи этого автора

Антипирен – специальная добавка, предназначенная для снижения горючести пластиков, текстиля, дерева и т.д. В данном обзоре будут рассмотрены антипирены, применяемые для модификации полимерных материалов. Основная их задача – предотвратить распространение огня или замедлить его настолько, чтобы существовала возможность эвакуации людей при пожаре.

Виды антипиренов

Антипирены для полимерных материалов можно подразделить по механизму действия и природе вещества. Как правило, они тесно связаны между собой: механизм является следствием природы химического вещества.

  1.    Эндотермические (поглощающие теплоту) – минеральные антипирены. В основном, к этому классу относятся минеральные вещества, как природного, так и искусственного происхождения, например, гидроксид магния. Дозировка минеральных антипиренов для эффективной работы превышает 50-60%.

  2.    Галогенсодержащие органические соединения. В эту категорию попадают хлор- и бром-содержащие вещества. Фторсодержащие добавки полезны при борьбе с каплепадением, но не могут работать в качестве основного антипирена из-за того, что слишком устойчивы и неохотно вступают в реакции поглощения радикалов. Йодсодержащие соединения часто недостаточно стабильны по отношению к теплу и свету и слишком дороги, поэтому не находят применения в этом качестве.

  3.    Азот- и фосфорсодержащие соединения. К этому классу относятся вещества, при разложении которых образуются фосфорные кислоты, которые помогают образованию кокса в присутствии необходимых функцональных групп в полимере.

  4.    Синергисты. Почти для каждого вида антипиренов есть вещества, усиливающие их действие. Такие добавки называют синергистами. Наиболее распространены оксид сурьмы и борат цинка – синергисты для галоген-содержащих антипиренов.

Как работают антипирены

Все антипирены используются для решения одной задачи — эффективного подавления процесса горения и распространения огня.
Однако антипирены разной природы работают по разному принципу. Рассмотрим процесс горения и базовые принципы действия перечисленных антипиренов.

Для возникновения горения необходим контакт горючего вещества с окислителем и источником энергии. Устойчивое пламя возникает при высокой температуре и достаточном количестве кислорода. То есть, чтобы прекратить горение материала, необходимо снизить температуру и перекрыть доступ кислорода. Именно эту работу и выполняют антипирены. В зависимости от химического состава, они подавляют разные процессы, сопутствующие горению: в твердой, или газообразной фазе. Как правило, чтобы подавить горение, необходимо одновременное действие в обоих.

Процессы

Минеральные антипирены при нагревании начинают разлагаться, выделяя водяной пар или углекислый газ, которые, попадая в газовую фазу, снижают концентрацию кислорода. Одновременно, твердый остаток образует корку на поверхности горящего полимера – кокс, который работает как барьер, предотвращая доступ воздуха и теплоты к незатронутому горением веществу. Наконец, при разложении они поглощают тепло, что снижает температуру зоны горения и замедляет процесс.

Галогенированные антипирены действуют в газовой фазе: они «ловят» образующиеся в результате деструкции полимерной цепи радикалы, предотвращая их дальнейшую цепную реакцию с полимером и выводя их из зоны реакции – ингибируют радикальную реакцию деструкции цепи. Поэтому их используют в полимерах, которые и сами склонны к образованию кокса или вместе с синергистами, действующими в твердой фазе или усиливающими их действие в газовой.

Фосфорсодержащие антипирены при разложении выделяют фосфорные кислоты, которые атакуют кислород в цепи полимера, образуя кокс. Очевидно, что в отсутствии атомов кислорода такие антипирены неэффективны. Поэтому чаще всего они применяются в качестве компонента «интумесцентных» систем, отвечающего за генерацию кислоты.

Применение антипиренов

С каждым годом на Земле на один градус повышается среднегодовая температура. Во всем мире растет число пожаров, связанных с природными катаклизмами. Большой процент по-прежнему приходится на возгорания, произошедшие по вине человека. Материальный ущерб и человеческие жертвы лишь подчеркивают значимость применения материалов повышенной пожаростойкости. 

Использование антипиренов необходимо в работе с разными материалами: для огнезащиты кабельных линий, древесины, металлических конструкций, тканей и полимерных материалов. Древесина и пластик остаются одними из самых легковоспламеняемых материалов, поэтому строительные и иные нормы их применения ужесточаются от года к году. 

Антипирены для полимеров

Полимеры остаются одним из самых пожароопасных материалов: они легко воспламеняются и быстро распространяют пламя. Пожарная опасность полимеров определяется скоростью выделения теплоты и дыма, а также способностью сохранять свойства при воздействии пламени.

Полимеры горят из-за своего химического состава – углеводородных цепей, являющихся прекрасным топливом. При нагревании происходит деструкция макромолекул с образованием ненасыщенных связей, которые наиболее подвержены реакции окисления, обладающей экзотермическим эффектом, то есть горению. Задача антипиренов — снизить способность полимерных материалов к возгоранию и распространению огня. Для этого они вводятся на этапе производства полимерного компаунда, являющегося сырьем для изготовления конечного изделия: кабеля, сайдинга, корпуса электроустановочного изделия, и т.д. Существуют и составы для обработки поверхности пластика.

Минеральные антипирены вводят в полимер в большом количестве – от 50% по массе. Такое количество наполнителя охрупчивает полимер, поэтому в качестве базы используются эластичные марки – сополимеры этилен-винилацетат, этилен-гексен, этилен-октен, этилен-пропилен. Они способны сохранять упругость при степени наполнения до 70-80%.

Галогенированные антипирены всегда используют в комбинации с синергистами, иначе их дозировка была бы слишком велика. В зависимости от полимерной матрицы их вводят в количестве от 15 до 30%, включая 3-5% синергистов – оксида сурьмы и бората цинка. Также их возможно комбинировать с минеральными антипиренами, чтобы снизить содержание галогенов, которые считаются токсичными и могут наносить вред здоровью людей.

Фосфорсодержащие антипирены используются в полимерах, содержащих кислородную функциональность или в составе «интумесцентных» систем. Наибольшее распространение получили полифосфат аммония и основанные на нем системы. Их дозировка сравнительно невелика – от 10 до 25%. Благодаря этому удается сохранить механические свойства полимера.

Характеристики антипиренов. На что обратить внимание при выборе.

Выбор антипирена – это ответственное решение, имеющее непосредственное влияние на безопасность жизнедеятельности человека. К нему нужно подходить с полным пониманием тех целей, которых предстоит достичь.

При выборе антипирена стоит обратить внимание на: 

  • Полимерную матрицу;

  • Температуру переработки и рабочую температуру;

  • Срок службы;

  • Стойкость к воде или другим средам;

  • Требования к степени огнестойкости и токсичности продуктов горения;

  • Требования к физико-механическим показателям изделия.

Антипирены – неотъемлемый и, пожалуй, один из важнейших ингредиентов в производстве полимерных материалов. Мы рекомендуем опираться на опыт применения того или иного антипирена в конкретной области и учитывать его недостатки и преимущества. Как правило, эта задача имеет несколько вариантов решения, а потому важно выбрать наиболее подходящий из них.

Василий Карпов
Автор статьи
Ведущий технический специалист ЭкоПирен
  • 7 лет опыта
  • Экспертные области: полимеры, технологии компаундирования и переработки, трудногорючие и конструкционные компаунды
Статьи этого автора
Другие статьи
Подробнее
6 дек 2021
Брусит - уникальный природный минерал с многогранным применением
Брусит, природная кристаллическая гидроокись магния — породообразующий минерал одноименных пород, рекордсмен по содержанию оксида магния среди промышленных магнезиальных минералов.
Брусит - уникальный природный минерал с многогранным применением