با تشدید مقررات جهانی محیط زیست و تعمیق مفاهیم توسعه پایدار،بازدارنده های شعله بدون هالوژنبه انتخاب اصلی برای اصلاح بازدارنده شعله مواد پلیمری تبدیل شده اند. در مقایسه با بازدارنده های هالوژن دار سنتی، سیستم های بدون هالوژن در طی احتراق دود و گازهای خورنده کمتری تولید می کنند و مواد سمی مشابه دیوکسین تولید نمی کنند. با این حال، بازدارنده های مختلف بدون هالوژن مانند فسفر، نیتروژن، هیدروکسیدهای فلزی و نوع انبساط دارای خواص متفاوتی در بازار هستند. نحوه انتخاب علمی بر اساس سیستم‌های مواد و سناریوهای کاربردی به موضوعی کلیدی تبدیل شده است که تکنسین‌ها با آن مواجه هستند. این مقاله منطق انتخاب بازدارنده‌های شعله بدون هالوژن را از ابعاد مختلف تحلیل می‌کند.
بازدارنده های شعله بدون هالوژن عمدتاً از دو طریق عمل می کنند: بازدارنده های شعله فاز گاز تجزیه می شوند و گازهای غیر قابل احتراق (مانند نیتروژن و بخار آب) تولید می کنند که اکسیژن و گازهای قابل احتراق را رقیق می کند. بازدارنده شعله فاز تغلیظ شده یک لایه کربن بر روی سطح ماده تشکیل می دهد که انتقال حرارت و اکسیژن را جدا می کند. بازدارنده های شعله مبتنی بر فسفر (مانند استرهای فسفات و پلی فسفات آمونیوم) عمدتاً در فاز متراکم عمل می کنند، در حالی که بازدارنده های شعله مبتنی بر نیتروژن (مانند ملامین و مشتقات آن) بیشتر در فاز گاز عمل می کنند. درک این تفاوت اساسی اولین قدم در انتخاب است.
یک بازدارنده شعله منفرد اغلب نمی تواند به اثر مطلوب دست یابد. سیستم هم افزایی نیتروژن فسفر کلاسیک ترین ترکیب است که در آن از پلی فسفات آمونیوم (منبع اسید) در ترکیب با ملامین (منبع گاز) برای تشکیل یک لایه کربن منبسط شده متراکم استفاده می شود که به طور قابل توجهی کارایی بازدارنده شعله را بهبود می بخشد. هیدروکسیدهای فلزی (هیدروکسید آلومینیوم، هیدروکسید منیزیم) به مقدار زیادی افزودن نیاز دارند (معمولاً 60-50٪)، اما اگر با مقدار کمی هم افزایی مانند ارگانوسیلیکن و روی بورات ترکیب شوند، می توان مقدار افزوده را کاهش داد و خواص مکانیکی را بهبود بخشید.
پلیمرهای قطبی (مانند PA و PBT) سازگاری خوبی با بازدارنده‌های شعله قطبی (مانند بر پایه فسفر) دارند و می‌توانند از طریق پیوندهای شیمیایی یا هیدروژنی با پراکندگی یکنواخت و حداقل تأثیر بر خواص مکانیکی ترکیب شوند. پلی اولفین‌های غیر قطبی (PP، PE) برای استفاده از هیدروکسیدهای فلزی اصلاح‌شده سطحی یا بازدارنده‌های شعله ریز محصور شده برای بهبود پیوند سطحی مناسب‌تر هستند.
پایداری حرارتی یک شاخص فنی کلیدی است.هیدروکسید آلومینیومشروع به تجزیه بالای 200 ℃ می کند، بنابراین برای پردازش پلاستیک های مهندسی با دمای بیش از 200 ℃ مناسب نیست. برای موادی مانند PBT و PA6 با دمای پردازش بین 240-280 ℃، بازدارنده های شعله مبتنی بر فسفر با پایداری حرارتی بالا (مانند هیپوفسفات ها) یا هیدروکسید منیزیم با پوشش سطحی باید انتخاب شوند.
محصولات شفاف (مانند PC، PMMA) باید بازدارنده های شعله را با تطبیق ضریب شکست انتخاب کنند. بازدارنده های سیلیکونی آلی تاثیر نسبتا کمی بر شفافیت دارند، در حالی که هیدروکسیدهای فلزی می توانند باعث اتمیزه شدن شدید شوند. کنترل اندازه ذرات بسیار مهم است و پراکندگی های بازدارنده شعله در سطح زیر میکرون می توانند پراکندگی نور را تا حد ممکن به حداقل برسانند.
شاخص اکسیژن محدود (LOI) و تست کالریمتری مخروطی روش‌های ارزیابی اصلی هستند. هر چه مقدار LOI بالاتر باشد، سوزاندن مواد در هوا دشوارتر است (به طور کلی بیش از 28٪ بازدارنده شعله در نظر گرفته می شود). کالری‌سنج مخروطی می‌تواند پارامترهای جنبشی مانند نرخ انتشار گرمای اوج (pHRR) و نرخ انتشار گرمای کل (THR) را به دست آورد، که عملکرد را در سناریوهای واقعی آتش نشان می‌دهد.
افزودن مواد بازدارنده شعله به طور اجتناب ناپذیری بر خواص مکانیکی تأثیر می گذارد. تکنیک‌های اصلاح سطح مانند عوامل جفت‌کننده سیلان و تیمار استر اسید تیتانیوم می‌توانند پیوند سطحی را بهبود بخشند. بهینه سازی اندازه ذرات (1-5 μm بهینه است) و کنترل مورفولوژی (هیدروکسید منیزیم ورقه مانند برتر از مکعب است) می تواند نقاط تمرکز تنش را کاهش دهد. پیشنهاد استفاده از طرح‌های آزمایشی مانند روش تاگوچی برای بهینه‌سازی نسبت بازدارنده‌های شعله، سخت‌کننده‌ها و روان‌کننده‌ها.
نرخ ماندگاری تاخیر در شعله پس از پیری گرمای مرطوب (85 ℃ / 85٪ RH) و پیری UV کلید کاربرد عملی است. برخی از بازدارنده های شعله استر فسفات خطر هیدرولیز را به همراه دارند و برای افزایش دوام نیاز به ریزپوشانی یا اصلاح ساختار مولکولی (معرفی حلقه های معطر) دارند.
هیدروکسیدهای دولایه (LDH)، مونتموریلونیت و سایر نانومواد می توانند به میزان قابل توجهی سرعت انتشار گرما را در صورت اضافه شدن به مقدار 3-5٪ کاهش دهند و تأثیر کمی بر خواص مکانیکی دارند، اما مشکل پراکندگی نیاز به حل دارد. نانولوله‌های کربنی/گرافن می‌توانند یک لایه کربن شبکه سه‌بعدی را تشکیل دهند که جهت جدیدی برای سرکوب کارآمد دود و تاخیر در شعله است.
بازدارنده های شعله مشتق شده از زیست توده مانند اسید فیتیک، نشاسته و لیگنین به تدریج کاربردی می شوند. این مواد دارای محتوای کربن بالا، خواص کربنیزاسیون خوب و مطابق با مفهوم اقتصاد دایره ای هستند. اگرچه کارایی هنوز نیاز به بهبود دارد، اما استفاده از آنها در زمینه هایی با الزامات زیست محیطی بسیار بالا آغاز شده است.
با توسعه فناوری شبیه‌سازی مواد (دینامیک مولکولی، پیش‌بینی یادگیری ماشین)، انتخاب بازدارنده‌های شعله از آزمون و خطای تجربی به طراحی منطقی تغییر می‌کند. در آینده، سیستم‌های بازدارنده شعله هوشمند که کارایی بالا، سمیت کم و عملکردهای چندگانه (کاهش دود، ضد چکه‌کردن و بهبود) را با هم ترکیب می‌کنند، به کانون تحقیق و توسعه تبدیل خواهند شد و درک عمیق از تعامل بین مواد، بازدارنده‌های شعله و فرآیندها همیشه سنگ بنای تکنولوژیکی برای انتخاب بهترین انتخاب خواهد بود.
