Механизмы действия замедлителей горения

Снижение горючести с помощью неорганических соединений

Первые исследовательские работы по снижению горючести полимерных материалов выполнены на изделиях, полимерную основу которых составляет целлюлоза и её производные, с применением растворов или суспензий различных неорганических солей. Результаты многочисленных исследований термической деструкции целлюлозы, в том числе в присутствии различных замедлителей горения, позволили выяснить механизм снижения горючести с помощью соединений, относящихся к кислотам Льюиса. Полагают, что основное действие этих соединений сводится к усилению процессов дегидратации и коксообразования в конденсированной фазе, в результате чего подавляется образование горючих летучих продуктов в ходе термического разложения. Особенно эффективными катализаторами процесса дегидратации целлюлозы являются кислоты фосфора, ряд производных которых используют в настоящее время для обработки различных целлюлозных волокон. Примерно половина общего количества антипиренов-добавок приходится на долю тригидрата оксида алюминия. Этот антипирен широко используется для снижения горючести не только термопластичных, но и термореактивных полимеров, особенно полиэфирных смол. При введении до 40% Al₂O₃*3H₂O наблюдается заметное уменьшение скорости термической деструкции полиэтилена, полипропилена, АБС-сополимеры и поливинилхлорида. Менее эффективна эта добавка для полимеров, разлагающихся при сравнительно низких температурах, например, для полистирола. Общепринятым является объяснение снижения скорости деструкции полимеров в присутствии тригидрата оксида алюминия эндотермической дегидратации последнего, в результате чего снижается температура конденсированной фазы, а также разбавлением полимера. Кроме того, происходит разбавление газообразных продуктов деструкции полимера парами воды и заметно снижается образование дыма из полимерного материала. Тригидрат оксида алюминия содержит около 35% воды, а удельная теплота его дегидратации равна 1170 Дж/г. Все виды оксида алюминия снижают дымообразование при горении полимеров, особенно с галогенсодержащими добавками. В случае АБС-сополимера Al₂O₃*3H₂O заметно снижает дымовыделение даже в отсутствии галогена. Полагают, что действие тригидрата обусловлено в основном дегидратированием, химический эффект невелик. Напротив, действие безводного Al₂O₃ связано с ускорением разложения галогенсодержащей добавки при более низких температурах без накопления продуктов, приводящих к образованию дыма. При использовании небольших количеств разных форм Al₂O₃ совместно с галогенсодержащими соединениями обнаружен синергический эффект и различия в механизмах действия трехоксида алюминия с различной степенью гидратации. Полученные результаты показали, что действие соединений алюминия не являются чисто физическим и в основном ограничивается конденсированной фазой.

Среди других неорганических замедлителей горения можно отметить сульфаты и бораты аммония, применяемые для целлюлозных материалов и действующее в основном в конденсированной фазе, хотя выделяющейся при разложении солей аммиак разбавляет горячую смесь газов. Однако растворимость солей аммония в воде ограничивает их применение. Исследование влияния на воспламеняемость целлюлозы различных солей неорганических кислородсодержащих кислот серы показало, что особенно эффективен сульфат алюминия, активность которого как замедлителя горения синергически повышается в присутствии соединения брома. Добавки в основном действуют в конденсированной фазе с участием всех трех элементов: S, Al, Br. Сульфат алюминия способствует сшиванию полимерных цепей, а соединения брома дает нелетучий AlBr₃, освобождая часть серы в летучей форме. Избыток брома может действовать в газовой фазе.

Снижение горючести с помощью органических галогеносодержащих соединений

Для снижения горючести полиолефинов, полимеров стирола и многих других пластиков широко применяют галогенсодержащие органические соединения. Основное внимание в настоящем разделе уделено механизму действия этих соединений.

Введение хлора в полимерные цепи изменяет природу и количество образующихся летучих продуктов деструкции этих полимеров по сравнению с углеводородными аналогами. Горючесть полимеров зависит не только от общего содержания хлора_, но и от механизма термической деструкции.

Из хлорсодержащих органических замедлителей горения алифатические соединения типа хлорпарафинов наиболее эффективны, но они разлагаются при сравнительно низких температурах, и продукты их разложения могут вызывать коррозию перерабатывающего оборудования. Коксообразующая эффективность антипиренов представляет собой отношение избытка углерода в остатке к содержанию добавки, а избыток углерода рассчитан по разности между общим содержанием углерода в остатке и исходным содержанием углерода в полимере и в добавках.

Броморганические соединения являются гораздо более эффективными замедлителями горения, чем хлорорганические. Введение брома в полиолефины и НВг в газовую фазу над полимерами заметно влияет на горение полимеров. Броморганические соединения также используют в основном в виде синергических смесей с соединениями металлов.

В основе различных механизмов химического ингибирования горения лежит конкурирующее взаимодействие молекул топлива и ингибитора с наиболее реакционноспособными радикалами Н-, ответственными за разветвление кинетической цепи процесса горения. В обсуждены предложенные механизмы ингибирования галогенами реакций, протекающих в пламени. Помимо химического ингибирования замедление горения галогенами может быть вызвано их влиянием на физические процессы. Однако вклад таких процессов зависит от условий горения и не всегда является определяющим Приведем наиболее часто обсуждаемый механизм, в котором основная роль отводится галогенводородам, образующимся при термическом разложении галогенсодержащих соединений в конденсированной фазе или в газовой фазе по реакции

 

RX + H- ↔ R – +НХ

 

Галогенводороды могут взаимодействовать с наиболее активными радикалами цепного процесса по реакциям, в результате которых образуется менее активный радикал Х –:

 

Н-+ НХ ↔ Н₂ + Х-

НО- + НХ ↔ Н₂ О +X-

При столкновении с молекулами углеводородного топлива возможна регенерация галогенводорода:

 

RH + X- ↔ HX + R-

 

Однако это представление несколько упрощенное, не учитывает сложной последовательности реакций превращения топлива и не объясняет различную эффективность бромсодержащих соединений. Исследование ингибирования различных пламен указывает на сложность происходящих процессов.

Эффективность снижения горючести полимеров галогенсодержащими соединениями усиливается в присутствии оксидов некоторых металлов, особенно сурьмы.