Apakah Mekanisme Kalis Api Aluminium Hidroksida?

Aluminium hidroksida(ATH, Al(OH)₃), sebagai kalis api tak organik bebas halogen yang paling banyak digunakan dan mesra alam di dunia, mempunyai lima kelebihan teras kalis api, penindasan asap, pengisian, tidak ketoksikan dan kos rendah. Ia digunakan secara meluas dalam bidang seperti resin epoksi, resin tak tepu, elastomer PVC, bahan kabel EVA, bahan komposit getah, bahan pengedap elektronik, dan bahan hiasan bangunan. Berlatarbelakangkan peraturan alam sekitar global yang semakin ketat dan aliran perdana kalis api bebas halogen, aluminium hidroksida telah menjadi penyelesaian pilihan untuk sistem kalis api bahan mewah kerana ciri gasnya yang tidak meruap, tidak menghakis dan tidak toksik.

I. Mekanisme teras satu: Dehidrasi suhu tinggi menyerap haba, mengurangkan suhu bahan dengan cepat

Kesan kalis api yang paling teras dan asas bagi aluminium hidroksida ialah kesan endotermik penguraian terma.

Apabila bahan polimer yang diisi dipanaskan pada julat 200°C - 320°C, aluminium hidroksida mengalami tindak balas dehidrasi lengkap, membebaskan air kristal dan bertukar menjadi alumina teraktif. Persamaan tindak balas adalah seperti berikut:

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑

Proses ini mempunyai dua ciri kalis api utama:

1. Kapasiti penyerapan haba yang kuat: Setiap gram penguraian aluminium hidroksida boleh menyerap 1050-1200 J haba, yang boleh dengan cepat menyerap haba pembakaran pada permukaan dan bahagian dalam bahan, memaksa suhu substrat menjadi lebih rendah daripada suhu kritikal penguraian terma, dengan itu menamatkan atau melambatkan pembakaran.

2. Ambang suhu yang tepat: Suhu penguraian sangat dipadankan dengan suhu degradasi terma kebanyakan bahan termoplastik dan resin termoset, dan mekanisme kalis api boleh diaktifkan serta-merta apabila bahan memasuki julat suhu berbahaya, mencapai perlindungan awal.

Pemahaman mudah: Aluminium hidroksida adalah seperti "sistem penyejukan" di dalam bahan, menyerap sejumlah besar haba pada saat penyalaan, menjadikannya mustahil untuk bahan mengekalkan suhu pembakaran dan menyekat kesinambungan pembakaran dari akar.

Ⅱ. Mekanisme teras kedua: Melepaskan wap air untuk mencairkan gas mudah terbakar dan oksigen

Semasa proses dehidrasi dan penguraian,aluminium hidroksidamembebaskan sejumlah besar wap air suhu tinggi, yang merupakan fungsi kalis api utama kedua.

Wap air membentuk penghalang gas berketumpatan tinggi pada permukaan bahan, mencapai kesan kalis api tiga kali ganda:

1. Pencairan gas mudah terbakar: Gas mudah terbakar seperti karbon monoksida, alkana, dan alkena yang dihasilkan oleh penguraian terma bahan dicairkan dengan banyak oleh wap air, mengurangkan kepekatannya di bawah had pembakaran.

2. Pengasingan oksigen: Wap air menduduki ruang antara muka pembakaran, mengurangkan resapan oksigen luar ke dalam bahan dan mewujudkan persekitaran pengoksidaan yang lemah.

3. Kurangkan suhu fasa gas: Pengegasan wap air terus menyerap haba, mengurangkan suhu nyalaan, dan melemahkan sinaran terma mampan nyalaan pada substrat.

Tidak seperti kalis api berhalogen, wap air yang dikeluarkan oleh aluminium hidroksida adalah tidak toksik, tidak menghakis dan tidak karsinogenik, mematuhi sepenuhnya piawaian alam sekitar global seperti EU REACH, RoHS dan UL AS, menjadikannya wakil teras sistem kalis api hijau.

Ⅲ. Mekanisme teras tiga: Hasilkan lapisan alumina padat untuk mengasingkan haba dan nyalaan secara fizikal

Selepas dehidrasi aluminium hidroksida, lapisan putih, padat, takat lebur tinggi, dan alumina teraktif yang tidak mudah terbakar (Al₂O₃) akan terhasil secara in situ pada permukaan bahan.

Aluminium oksida mempunyai takat lebur sehingga 2050 ℃ dan mempunyai kestabilan terma dan kekuatan struktur yang kuat, berfungsi sebagai penghalang fizikal tiga kali ganda:

1. Mengasingkan pemindahan haba: menyekat nyalaan luaran daripada memancarkan haba ke substrat dalaman, dan menghalang penguraian haba bahan selanjutnya.

2. Sekat titisan titisan: Betulkan cair polimer untuk mengelakkan pembakaran sekunder atau penyebaran api yang disebabkan oleh titisan titisan.

3. Kunci masuk gas mudah terbakar: sekat pelepasan gas mudah terbakar dalaman dan putuskan bekalan bahan terbakar.

Lapisan kulit alumina ini tidak akan terbakar, berasap, atau pecah, dan merupakan asas fizikal yang penting untuk mencapai retardansi nyalaan aluminium hidroksida yang tahan lama.

Ⅳ. Mekanisme teras empat: Penindasan asap yang kuat, menangkap asap toksik dan zarah tar

Dalam kemalangan kebakaran sebenar, asap tebal dan gas toksik adalah faktor utama yang menyebabkan kemudaratan. Kelebihan teras aluminium hidroksida berbanding dengan kalis api yang lain ialah kalis nyalaan segerak dan penindasan asap yang kuat.

Mekanisme penindasan asapnya dicerminkan dalam tiga aspek:

1. Penindasan suhu rendah penjanaan asap dan habuk: menyerap haba dan penyejukan terlebih dahulu untuk mengurangkan asap hitam, tar dan zarah toksik yang dijana oleh keretakan suhu tinggi bahan.

2. Penjerapan fizikal zarah asap oleh lapisan alumina: Struktur permukaan berliang boleh menangkap zarah asap dan mengurangkan kepekatan asap.

3. Tiada pencemaran sekunder: tidak menghasilkan asap yang sangat toksik seperti hidrogen halida dan dioksin, dan memenuhi keperluan ketumpatan asap yang ketat dalam bidang seperti pembinaan, pengangkutan, bahan dalaman dan transit rel.

Dalam aplikasi seperti resin epoksi, bahan komposit SMC/BMC, wayar dan kabel, menambah aluminium hidroksida boleh mengurangkan ketumpatan asap (DS) bahan sebanyak lebih daripada 60%, meningkatkan keselamatan kebakaran dengan ketara.

Ⅴ. Mekanisme teras lima: Pengkarbonan kolaboratif meningkatkan sifat pemadaman sendiri bahan

Aluminium hidroksidatidak bertindak bersendirian dan boleh membentuk kesan pengkarbonan sinergistik dengan matriks resin dalam sistem pengisian tinggi

1. Lapisan alumina menggalakkan pembentukan pesat lapisan karbon yang stabil pada permukaan substrat;

2. Penyerapan haba dan dehidrasi mempercepatkan ketumpatan lapisan karbon, meningkatkan kapasiti antioksidannya;

3. Kurangkan masa pembakaran, jadikan bahan padam sendiri, dan segera berhenti terbakar selepas meninggalkan nyalaan.

Kesan sinergistik ini membolehkan aluminium hidroksida mempamerkan kecekapan kalis api yang jauh melebihi pengisi tak organik biasa dalam resin epoksi terisi tinggi, poliester tak tepu dan elastomer.

Ⅵ. Ringkasan mekanisme kalis api aluminium hidroksida

Mengambil kira kesan di atas, aluminium hidroksida tidak mencapai retardansi nyalaan melalui satu mekanisme, melainkan melalui kejadian serentak empat fungsi: penyerapan haba dan penyejukan, pencairan fasa gas, pengasingan fasa pepejal, penindasan asap, dan penetapan karbon pepejal, membentuk rangkaian kalis api tiga dimensi yang lengkap:

1. Penyerapan haba: penyejukan paksa untuk mengelakkan pirolisis berterusan bahan;

2. Pembebasan air: Oksigen cair dan gas mudah terbakar;

3. Pembentukan cangkang: membentuk lapisan penebat alumina;

4. Penindasan asap: Kurangkan asap toksik dan tingkatkan keselamatan.

Ini juga merupakan sebab asas mengapa aluminium hidroksida boleh menjadi bahan arus perdana dalam medan kalis api bebas halogen global.