با توجه به قوانین سختگیرانه زیست محیطی و استانداردهای مداوم در صنایع الکتریکی، الکترونیک و خودروسازی، بازدارندگی شعله بدون هالوژن مواد نایلونی (پلی آمید) به یک روند اجتناب ناپذیر تبدیل شده است. با این حال، در مواجهه با سیستم‌های بازدارنده شعله بدون هالوژن مانند فسفر، مبتنی بر نیتروژن، هیدروکسیدهای معدنی و سیلیکون بر اساس بازار، نحوه انتخاب علمی و کارآمد به یک موضوع پیچیده شامل شیمی پلیمر، علم احتراق، رئولوژی و علم رابط مواد کامپوزیت تبدیل شده است. هدف این مقاله ارائه مبنای تصمیم گیری حرفه ای برای انتخاب بازدارنده های شعله بدون هالوژن نایلونی بر اساس مکانیسم عمل مواد است.
نایلون ها انواع زیادی دارند و ساختار شیمیایی و خواص حرارتی آن ها مستقیماً بر انتخاب مواد بازدارنده شعله تأثیر می گذارد.
· PA6 و PA66: دارای نقطه ذوب بالا (> 250 ℃)، محدوده دمای پردازش باریک، و برای داشتن پایداری حرارتی عالی به بازدارنده های شعله نیاز دارند (دمای تجزیه باید بیش از 300 درجه باشد). توصیه می شود از مشتقات فسفر آلی بسیار پایدار (مانند مشتقات DOPO) یا نمک های اسید فسفینیک فلزی استفاده کنید.
· نایلون نیمه معطر (PA6T، PA9T) و نایلون با دمای بالا: دمای پردازش اغلب از 300 درجه سانتیگراد فراتر می رود و مواد بازدارنده شعله معمولی مبتنی بر فسفر ممکن است تجزیه شده و از بین بروند. سیستم هم افزایی فسفر نیتروژن با درجه حرارت فوق العاده با ساختار خاص یا بازدارنده شعله پلی سیلوکسان باید انتخاب شود.
· نایلون شفاف و نایلون منعطف: الزاماتی برای شفافیت یا انعطاف پذیری وجود دارد و بازدارنده های شعله با تطابق ضریب شکست، اثر پلاستیک سازی یا اندازه ذرات بسیار ریز (سطح نانومتر) باید انتخاب شوند.
کریستالی بودن نایلون بر توزیع و مهاجرت مواد بازدارنده شعله تأثیر می گذارد. در نایلون با کریستالینیت بالا (مانند PA66)، بازدارنده های شعله به راحتی خارج از ناحیه کریستالی دفع می شوند و در ناحیه آمورف متمرکز می شوند، که ممکن است منجر به "اثر فیتیله" شود که احتراق را تشدید می کند. هنگام انتخاب، باید به سازگاری بین بازدارنده‌های شعله و فازهای آمورف نایلون یا افزودن عوامل هسته‌زا برای تنظیم مورفولوژی کریستالی توجه شود.
بازدارنده های مختلف شعله بدون هالوژن چرخه احتراق را از طریق مسیرهای فیزیکی و شیمیایی مختلف قطع می کنند.
رادیکال‌های آزاد مانند PO · و HPO · که توسط DOPO و مشتقات آن نشان داده می‌شوند، در طی احتراق آزاد می‌شوند و رادیکال‌های H · و OH · را به طور مؤثر جذب می‌کنند که واکنش‌های زنجیره‌ای را در شعله‌ها حفظ می‌کنند. شاخص های کلیدی برای انتخاب: راندمان بازدارنده شعله در فاز گاز بالا، دوز پایین مورد نیاز برای انطباق با UL94 V-0 (معمولاً 15-20٪ در PA66)، اما تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی، به ویژه استحکام ضربه.
· بازدارنده های شعله منبسط شده (IFR) و مواد مبتنی بر نیتروژن: یک لایه کربن منبسط شده متخلخل و پایدار روی سطح احتراق ایجاد می کند که گرما و اکسیژن را جدا می کند. مناسب برای کاربردهایی که به دمای اشتعال سیم بالا (GWT) نیاز دارند. با این حال، باید به اثر هم افزایی کربن سازی با نایلون توجه شود. نایلون خالص نرخ کربنیزاسیون پایینی دارد و باید یک سیستم ضد شعله که بتواند هیدروژن زدایی و اتصال متقابل نایلون به زغال چوب را کاتالیز کند، انتخاب شود.
· نمکهای اسید فسفینیک فلز (مانند نمکهای اسید فسفینیک آلومینیوم و روی): هم اثرات فاز گاز و هم فاز متراکم دارند. نه تنها می تواند رادیکال های آزاد مقاوم در برابر شعله را آزاد کند، بلکه ترکیب فلزی آن می تواند تشکیل یک لایه کربن/سرامیک روی سطح را نیز افزایش دهد و عملکرد ضد چکه و عایق بهتری را ارائه دهد، به ویژه برای اتصال دهنده های الکتریکی مناسب است.
· هیدروکسید منیزیم/آلومینیوم (MDH/ATHبازدارنده شعله از طریق سطوح پر شدن زیاد (اغلب بیش از 50%)، با تکیه بر جذب حرارت تجزیه (حدود 1.2-1.5 کیلوژول بر گرم) و انتشار بخار آب برای رقیق کردن گازهای قابل احتراق به دست می آید. ضعف مهلک آن بدتر شدن شدید سیالیت پردازش و خواص مکانیکی است. فقط نایلون پر شده با سطح پایین را در نظر بگیرید که بسیار حساس به هزینه است و نیاز به عملکرد پایینی دارد.
پارامترهای مقایسه اصلی عملکرد:
· راندمان بهبود LOI: افزایش LOI در هر واحد اضافه.
· رابطه بین درجه احتراق عمودی UL94 و ضخامت: یک شاخص اقتصادی کلیدی که طراحی ضخامت دیواره محصول و استفاده از مواد را تعیین می کند.
· دمای احتراق سیم برق (GWTI): برای ایمنی الکتریکی بسیار مهم است.
مسدود کردن آن توصیه نمی شود و باید بین ابعاد عملکردی چندگانه تعادل برقرار شود.
بازدارنده های شعلهبه عنوان ناخالصی ها، ناچارند به نقاط تمرکز تنش تبدیل شوند. استراتژی انتخاب:
· اصلاح سطح: بازدارنده های شعله ای را انتخاب کنید که با عوامل جفت کننده مانند سیلان و تیتانات درمان شده اند تا چسبندگی سطحی را افزایش دهند.
· اندازه ذرات و بهینه سازی مورفولوژی: تأثیر منفی ذرات زیر میکرونی و کروی بر استحکام کششی و ضربه ای کوچکتر از ذرات درشت یا پوسته پوسته است.
· سفت کننده کامپوزیت: افزودن همزمان عوامل سفت کننده مانند POE پیوندی انیدرید مالئیک به فرمول بازدارنده شعله برای جبران از دست دادن استحکام ضربه.
کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی به CTI بالایی نیاز دارند (در مقایسه با شاخص ردیابی نشت). برخی از بازدارنده های شعله یونی (مانند جایگزین های برخی از برومیدها) یا بازدارنده های شعله با رطوبت سنجی قوی می توانند به طور قابل توجهی CTI را کاهش دهند. سیستم‌های فسفینات فلزی معمولاً مقادیر بالای CTI (> 600 ولت) را ارائه می‌کنند.
مقدار افزودن زیاد باعث افزایش قابل توجه ویسکوزیته مذاب می شود. باید با بهینه سازی توزیع اندازه ذرات (توزیع گسترده گاهی از توزیع تک پیک سودمندتر است) و انتخاب بازدارنده های شعله با خواص روان کنندگی (مانند سری های خاص استر فسفر) بهبود یابد. انجام آزمایش رئولوژیکی (رئومتر مویرگی یا چرخشی) به جای اتکای صرف به قضاوت شاخص مذاب ضروری است.
· شکوفایی و مهاجرت: مولکول های کوچک بازدارنده شعله مستعد رسوب هستند که منجر به چسبندگی سطح و یخ زدگی می شود. انتخاب بازدارنده های شعله با وزن مولکولی بالا یا واکنش پذیر (که می توانند در پلیمریزاسیون شرکت کنند یا با گروه های انتهایی نایلونی واکنش دهند) راه حل اساسی است.
· ثبات رنگ: بسیاری از بازدارنده های شعله مبتنی بر فسفر در طول پردازش در دمای بالا یا استفاده طولانی مدت مستعد زرد شدن هستند. بررسی رنگی بودن و تفاوت رنگ اولیه آن (Δ E) پس از پیری حرارتی ضروری است.
· پایداری هیدرولیتیک: نایلون مستعد جذب رطوبت است. اگر بازدارنده های شعله رطوبت را جذب کنند یا هیدرولیز را تقویت کنند، پیری مواد را تسریع می کند. آزمایش پیری حرارت مرطوب طولانی مدت (مانند 85 ℃ / 85٪ RH) مورد نیاز است.
انتخاب بازدارنده های شعله بدون هالوژن برای نایلون یک "جایگزینی" یا "آزمایشی" ساده نیست، بلکه یک پروژه طراحی فرمول بندی سیستماتیک بر اساس درک عمیق اصول تعامل مواد است. بازدارنده شعله ایده آل باید حداقل تاثیری بر خواص ذاتی، پردازش پذیری و قابلیت اطمینان طولانی مدت ماتریس نایلونی تحت راندمان بازدارنده شعله هدف داشته باشد، در حالی که محدودیت های نظارتی و هزینه را رعایت می کند. روند آینده توسعه سیستم‌های بازدارنده شعله چند منظوره، با وزن مولکولی بالا، واکنش‌پذیر بدون هالوژن و همچنین راه‌حل‌های هوشمند همراه با فناوری نانو و فن‌آوری مشترک، برای دستیابی به یکپارچگی چند منظوره مانند تاخیر در شعله، تقویت، و سخت‌کننده است.
