چرا هنوز هیدروکسید آلومینیوم پرمصرفترین عامل تاخیر انداز شعله است؟

چرا هنوز هیدروکسید آلومینیوم پرمصرفترین عامل تاخیر انداز شعله است؟

چکیده

هیدروکسید آلومینیوم (ATH)، که با نام آلومینا تری هیدرات نیز شناخته می‌شود، یکی از پرکاربردترین افزودنی‌های بازدارنده شعله و جلوگیری از اشتعال و دود در مواد پلیمری، رزین ها ، لاستیک ها و پلاستیک ها است. موفقیت تجاری آن ناشی از ترکیبی از عملکرد مؤثر در برابر آتش، سمیت کم، مقبولیت زیست‌محیطی، مواد اولیه فراوان و هزینه نسبتاً پایین است. این موارد به طور خلاصه باعث شده تا فروش هیدروکسید آلومینیوم بسیار مورد توجه باشد.  ATH در درجه اول از طریق یک فرآیند تجزیه گرماگیر که تقریباً در دمای (200-220 درجه سانتیگراد) رخ می‌دهد، عمل می‌کند. در طول این فرآیند، بخار آب آزاد می‌کند و یک باقیمانده غنی از آلومینای محافظ بعنوان سپر حرارتی شبه سرامیکی  تشکیل می‌دهد، در نتیجه انتقال حرارت را کاهش می‌دهد، با تولید بخار آب گازهای قابل احتراق را رقیق می‌کند و پلیمر زیرین را محافظت می‌کند. برخلاف بسیاری از بازدارنده‌های شعله هالوژنه، ATH در شرایط عادی آتش، محصولات احتراق خورنده یا بسیار سمی تولید نمی‌کند و در نتیجه از نظر زیستی سازگار تر از بسیاری از عوامل دیگر است. این ماده با طیف وسیعی از پلیمرها، از جمله پلی‌الفین‌ها، پلی (وینیل کلراید) و الاستومرها سازگار است، اگرچه نیاز به بارگذاری زیاد آن می‌تواند بر خواص مکانیکی و پردازش تأثیر بگذارد. اصلاح سطح، به ویژه با عوامل اتصال سیلان، یا حتی اصلاحات فیزیکی با ترکیبات مبتنی بر استئاریک اسید با عث شده تا تولید هیدروکسید آلومینیوم به شکل­های مختلف ادامه داشته باشد. این مقاله به بررسی مکانیسم شیمیایی، مزایای زیست‌محیطی، ویژگی‌های پردازش، کاربردها و عوامل اقتصادی می‌پردازد که جایگاه پایدار ATH را به عنوان پیشرو در بازار، علیرغم توسعه فناوری‌های جدیدتر ضد شعله، توضیح می‌دهد.

 

مقدمه

ضد شعله‌ها و یا به عبارت صحیح تر عوامل تاخیر انداز شعله،  در مواد پلیمری گنجانده می‌شوند تا احتمال احتراق را کاهش دهند، گسترش شعله را کند کنند، گرمای کمتری آزاد کنند و زمان موجود برای تشخیص و تخلیه آتش را بهبود بخشند. استفاده از آنها در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، محصولات ساختمانی، اجزای حمل و نقل، عایق سیم و کابل و کالاهای مصرفی ضروری است. هرچند تولید هیدروکسید آلومینیوم و یا فروش هیدروکسید آلومینیوم صرفا به جهت کاربرد تاخیر اندازی شعله نیست، بلکه در کاربردهای دیگر نظیر صنایع کاتالیست، شیمیایی و … نیز کاربرد آن دیده می شود. با این حال خرید هیدروکسید آلومینیوم توسط بسیاری از شرکتها و صنایع با رویکرد الزامات عملکردی که بر سیستم‌های ضد شعله اعمال می‌شود، بو این مورد  طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار می‌گیرد: افزودنی‌ها باید محافظت قابل اعتمادی در برابر آتش ایجاد کنند و در عین حال خواص مکانیکی را حفظ کنند، دود و سمیت را محدود کنند، با مقررات زیست‌محیطی مطابقت داشته باشند و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند.

 

هیدروکسید آلومینیوم به یک ضد شعله معدنی غالب تبدیل شده است زیرا بسیاری از این الزامات را به طور همزمان برآورده می‌کند. این یک ترکیب مشتق‌شده از مواد معدنی طبیعی است که عموماً از بوکسیت از طریق مسیرهای فرآوری آلومینا تولید می‌شود. در فرمولاسیون‌های پلیمری، ATH هم به عنوان یک بازدارنده شعله و هم به عنوان یک کاهنده دود عمل می‌کند. این ماده معمولاً به عنوان یک پرکننده ذرات ریز عرضه می‌شود و می‌تواند در ترموپلاستیک‌ها، ترموست‌ها، ترکیبات لاستیکی و مواد کابل پر شده استفاده شود. مزیت اصلی آن این است که از طریق یک مکانیسم فیزیکی و شیمیایی به جای آزاد کردن گونه‌های هالوژن واکنش‌پذیر، از آتش محافظت می‌کند. هرچند می تواند نقش پرکنندگی را در سامانه های پلیمری بر عهده داشته باشد.

 

ساختار شیمیایی و مکانیسم تجزیه گرماگیر

با تجزیه ATH، مقدار قابل توجهی گرما از ماتریس پلیمری اطراف جذب می‌کند. این امر دمای ماده را کاهش می‌دهد و انتقال از گرمایش به احتراق را به تأخیر می‌اندازد. بنابراین انرژی جذب شده برای پشتیبانی از پیرولیز و احتراق در دسترس نیست.

بخار آب آزاد شده در طول تجزیه از چندین طریق به مهار شعله کمک می‌کند. اول، به عنوان یک سینک گرما عمل می‌کند زیرا انرژی در تبخیر و گرم کردن آب مصرف می‌شود. دوم، بخار، گازهای تجزیه قابل احتراق و اکسیژن اتمسفر را در نزدیکی سطح در حال سوختن رقیق می‌کند. این امر غلظت سوخت موجود برای احتراق فاز گازی را کاهش می‌دهد. سوم، بخار تولید شده می‌تواند به مختل کردن منطقه شعله و کاهش سرعت رسیدن سوخت فرار به شعله کمک کند.

آلومینای باقی‌مانده، یک پسماند نسوز در سطح ماده تشکیل می‌دهد. این پسماند می‌تواند یک مانع محافظ ایجاد کند که جریان گرما از شعله به پلیمر را محدود کرده و فرار مواد فرار قابل احتراق از فاز متراکم را محدود می‌کند. اگرچه لایه آلومینای تولید شده توسط ATH همیشه به اندازه زغال تشکیل شده توسط برخی از سیستم‌های واکنشی یا متورم شونده منسجم نیست، اما به طور قابل توجهی در کاهش آزادسازی گرما و انتشار شعله نقش دارد. اثر کلی ترکیبی از خنک‌سازی گرماگیر، رقیق‌سازی گاز و محافظت فاز متراکم است.

مزایای زیست‌محیطی و عدم آسیب زایی

دلیل اصلی خرید هیدروکسید آلومینیوم توسط صنایع بصورت گسترده،  مشخصات زیست‌محیطی و سم‌شناسی مطلوب آن است. ATH حاوی اتم‌های هالوژن نیست و برای مهار شعله به تشکیل رادیکال‌های هالوژن وابسته نیست. ترکیبات هالوژن دار اسید تولید میکنند و برای در نتیجه، از بسیاری از نگرانی‌های مرتبط با بازدارنده‌های شعله برومینه و کلرینه، از جمله تشکیل احتمالی هالیدهای هیدروژن خورنده و محصولات احتراق سمی در شرایط آتش‌سوزی با تهویه نامناسب، جلوگیری می‌کند.

 

محصولات اصلی تجزیه ATH بخار آب و آلومینا هستند. این مواد نسبتاً پایدار هستند و آلاینده‌های آلی پایدار تولید نمی‌کنند. ATH همچنین معمولاً به عنوان ماده‌ای با سمیت حاد کم و تحرک محیطی کم در صورت ترکیب صحیح در ماتریس پلیمری در نظر گرفته می‌شود. ویژگی معدنی آن از کاربردها در مصالح ساختمانی، ترکیبات کابل و محصولات مصرفی که در آنها دود و سمیت احتراق از ملاحظات ایمنی مهم هستند، پشتیبانی می‌کند.

 

ATH علاوه بر این می‌تواند تشکیل دود را سرکوب کند. با خنک کردن پلیمر و تقویت تشکیل یک باقیمانده معدنی، تولید و انتقال قطعات سوخت کربنی را کاهش می‌دهد. کاهش دود به ویژه در محیط‌های بسته، جایی که از دست دادن دید و خطرات استنشاقی می‌تواند باعث مرگ و میر بیشتری نسبت به قرار گرفتن در معرض شعله مستقیم شود، بسیار ارزشمند است. اگرچه میزان مهار دود به پلیمر و فرمولاسیون بستگی دارد، اما ATH عموماً در مقایسه با سیستم‌های مقاوم در برابر شعله که دود را تشدید می‌کنند یا گازهای خورنده تولید می‌کنند، عملکرد مطلوبی دارد.

 

سازگاری در فرآیند و کاربردهای صنعتی

ATH در طیف گسترده‌ای از سیستم‌های پلیمری استفاده می‌شود. در پلی‌الفین‌هایی مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن، معمولاً با سازگارکننده‌های پلیمری یا سایر افزودنی‌های هم‌افزایی ترکیب می‌شود تا به طبقه‌بندی‌های مورد نیاز در برابر آتش دست یابد. در PVC، ATH می‌تواند ضمن کاهش دود و بهبود پایداری حرارتی در فرمولاسیون‌های منتخب، ویژگی ذاتی مقاوم در برابر شعله پلیمر را تکمیل کند. همچنین به طور گسترده در اتیلن-وینیل استات، لاستیک سیلیکون، ترکیبات اکریلیک، رزین‌های پلی‌استر غیراشباع و سایر سیستم‌های الاستومری یا ترموست استفاده می‌شود.

 

محدودیت اصلی فرآیند آن، سطح بارگذاری نسبتاً بالای مورد نیاز برای مقاوم‌سازی مؤثر در برابر شعله است. بسته به پلیمر، اندازه ذرات، استاندارد آزمایش و طبقه‌بندی مورد نظر، غلظت ATH ممکن است تقریباً از 40 تا 65 درصد وزنی متغیر باشد. چنین محتوای معدنی بالایی ویسکوزیته ترکیب را افزایش می‌دهد، پردازش مذاب را پیچیده می‌کند و می‌تواند استحکام کششی، ازدیاد طول، مقاومت در برابر ضربه و کیفیت سطح را کاهش دهد. دمای تجزیه ATH نیز باید با دقت در نظر گرفته شود: دمای پردازش خیلی بالا می‌تواند باعث آزاد شدن زودرس آب شود و باعث تخلخل، کف یا تخریب شود.

 

بنابراین، عملیات سطحی یک روش مهم برای بهبود عملکرد ATH است. عوامل اتصال سیلان می‌توانند سطح معدنی را اصلاح کرده و چسبندگی بین سطحی بین ذرات ATH و ماتریس پلیمری را افزایش دهند. سازگاری بهبود یافته، انتقال تنش بهتر را بهبود می‌بخشد، تجمع ذرات را کاهش می‌دهد و می‌تواند خواص مکانیکی و پراکندگی را افزایش دهد. اسید استئاریک و سایر عملیات سطحی آلی نیز برای بهبود جریان، کاهش حساسیت به رطوبت و تسهیل اختلاط در طول ترکیب استفاده می‌شوند. گریدهای ذرات ریز، مساحت سطح بیشتری را فراهم می‌کنند و پراکندگی را بهبود می‌بخشند، اگرچه ممکن است ویسکوزیته و نیازهای پردازش را افزایش دهند. کاربردهای تجاری شامل عایق کابل بدون هالوژن با دود کم، محفظه‌های الکتریکی و الکترونیکی، مواد سقف و کفپوش، قطعات راه‌آهن و خودرو، تسمه نقاله، درزگیرهای الاستومری و پنل‌های کامپوزیتی می‌شود. کاربرد گسترده آن به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که از تجهیزات ترکیب و روش‌های فرمولاسیون تثبیت‌شده استفاده کنند.

قابلیت اقتصادی

جذابیت اقتصادی ATH مزایای فنی آن را تقویت می‌کند. منابع معدنی حاوی آلومینیوم در سطح جهان فراوان هستند و ATH با استفاده از فرآیندهای صنعتی بالغ و در مقیاس بزرگ تولید می‌شود. این امر یک زنجیره تأمین پایدار ایجاد می‌کند و وابستگی به مواد اولیه تخصصی یا محدود از نظر جغرافیایی را کاهش می‌دهد. در مقایسه با بسیاری از بازدارنده‌های شعله مهندسی شده، ATH هزینه واحد نسبتاً کمی دارد و نیازی به سنتز مولکولی پیچیده ندارد.

 

اگرچه بارگذاری زیاد می‌تواند وزن فرمولاسیون را افزایش دهد و به طور بالقوه هزینه‌های حمل و نقل را بالا ببرد، اما این افزودنی همچنان مقرون به صرفه است زیرا بازدارنده شعله، سرکوب دود و عملکرد پرکننده را در یک ماده واحد ترکیب می‌کند. پذیرش نظارتی و سابقه طولانی استفاده صنعتی آن نیز هزینه‌های صلاحیت را برای تولیدکنندگان کاهش می‌دهد. در بسیاری از کاربردها، این مزایا بر نیاز به عملیات سطحی یا استفاده از افزودنی‌های هم‌افزایی غلبه می‌کند.

 

نتیجه‌گیری

هیدروکسید آلومینیوم جایگاه خود را به عنوان عامل پیشرو در بازدارنده شعله حفظ می‌کند زیرا ترکیبی غیرمعمول و متعادل از عملکرد، ایمنی، در دسترس بودن و هزینه ارائه می‌دهد. تجزیه گرماگیر آن در نزدیکی 200 درجه گرما را جذب می‌کند، بخار آب غیرقابل احتراق آزاد می‌کند، گازهای سوخت را رقیق می‌کند و یک باقیمانده محافظ غنی از آلومینا تولید می‌کند. این مکانیسم‌ها تمایل به اشتعال، آزادسازی گرما، گسترش شعله و تولید دود را کاهش می‌دهند.

 

ATH همچنین از بسیاری از نگرانی‌های زیست‌محیطی و سم‌شناسی مرتبط با سیستم‌های هالوژنه جلوگیری می‌کند، در حالی که برای پلیمرهای متنوع و کاربردهای صنعتی مناسب باقی می‌ماند. نیاز به بارگذاری بالا می‌تواند پردازش و عملکرد مکانیکی را به خطر بیندازد، اما مهندسی ذرات، عملیات سطحی و فرمولاسیون‌های هم افزایی همچنان به بهبود کارایی آن کمک می‌کنند. جایگزین‌های مدرن، از جمله سیستم‌های مبتنی بر فسفر، مبتنی بر نیتروژن، نانوساختار و متورم شونده، ممکن است مزایایی را در کاربردهای تخصصی ارائه دهند. با این وجود، تعداد کمی از مواد با ترکیب کلی ATH از سمیت کم، عملکرد قابل اعتماد در برابر آتش، فراوانی جهانی، فناوری پردازش تثبیت‌شده و اقتصادی بودن مطابقت دارند. به همین دلایل، ATH احتمالاً در آینده قابل پیش‌بینی جزء اصلی فناوری بازدارنده شعله پلیمری باقی خواهد ماند.