هیدروکسید آلومینیوم(ATH، Al(OH)3)، به عنوان پرکاربردترین و سازگار با محیط زیست بدون هالوژن غیر آلی بازدارنده شعله در جهان، دارای پنج مزیت اصلی بازدارندگی شعله، سرکوب دود، پر شدن، غیر سمی بودن و هزینه کم است. این به طور گسترده ای در زمینه هایی مانند رزین اپوکسی، رزین غیر اشباع، الاستومر PVC، مواد کابل EVA، مواد کامپوزیت لاستیکی، مواد مهر و موم الکترونیکی و مواد تزئینی ساختمان استفاده می شود. با توجه به قوانین زیست محیطی سختگیرانه جهانی و روند اصلی بازدارنده شعله بدون هالوژن، هیدروکسید آلومینیوم به دلیل ویژگی های گاز غیرفرار، غیر خورنده و غیر سمی، به راه حل ترجیحی برای سیستم های بازدارنده شعله مواد با کیفیت بالا تبدیل شده است.
هسته ای ترین و اساسی ترین اثر بازدارنده شعله هیدروکسید آلومینیوم، اثر گرماگیر تجزیه حرارتی است.
هنگامی که مواد پلیمری پر شده تا محدوده 200 درجه سانتیگراد تا 320 درجه سانتیگراد گرم می شوند، هیدروکسید آلومینیوم تحت واکنش کم آبی کامل قرار می گیرد و آب کریستال آزاد می کند و به آلومینا فعال تبدیل می شود. معادله واکنش به صورت زیر است:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O↑
این فرآیند دارای دو ویژگی اصلی بازدارنده شعله است:
1. ظرفیت جذب گرما قوی: هر گرم تجزیه هیدروکسید آلومینیوم می تواند 1050-1200 ژول گرما را جذب کند، که می تواند به سرعت گرمای احتراق را در سطح و داخل ماده جذب کند، دمای بستر را مجبور به پایین تر از دمای بحرانی تجزیه حرارتی کند، در نتیجه احتراق را خاتمه یا به تاخیر می اندازد.
2. آستانه دمای دقیق: دمای تجزیه بسیار با دمای تخریب حرارتی اکثر مواد ترموپلاستیک و رزین های ترموست مطابقت دارد و مکانیسم بازدارنده شعله را می توان بلافاصله هنگامی که ماده وارد محدوده دمای خطرناک شد فعال کرد و به محافظت اولیه رسید.
درک ساده: هیدروکسید آلومینیوم مانند یک "سیستم خنک کننده" در داخل ماده است که مقدار زیادی گرما را در لحظه اشتعال جذب می کند و حفظ دمای احتراق را برای مواد غیرممکن می کند و ادامه احتراق را از ریشه سرکوب می کند.
در طول فرآیند کم آبی و تجزیه،هیدروکسید آلومینیوممقدار زیادی بخار آب با دمای بالا آزاد می کند که دومین عملکرد کلیدی بازدارنده شعله آن است.
بخار آب یک سد گازی با چگالی بالا بر روی سطح ماده تشکیل می دهد و به یک اثر بازدارنده شعله سه گانه دست می یابد:
1. رقیق شدن گازهای قابل احتراق: گازهای قابل احتراق مانند مونوکسید کربن، آلکان ها و آلکن های تولید شده در اثر تجزیه حرارتی مواد به میزان زیادی توسط بخار آب رقیق شده و غلظت آنها را به زیر حد احتراق کاهش می دهد.
2. جداسازی اکسیژن: بخار آب فضای رابط احتراق را اشغال می کند، انتشار اکسیژن خارجی را به مواد کاهش می دهد و یک محیط اکسید کننده ضعیف ایجاد می کند.
3. کاهش دمای فاز گاز: تبدیل به گاز با بخار آب، گرما را بیشتر جذب می کند، دمای شعله را کاهش می دهد و تابش حرارتی پایدار شعله روی بستر را ضعیف می کند.
برخلاف مواد ضد شعله هالوژنه، بخار آب آزاد شده توسط هیدروکسید آلومینیوم غیر سمی، غیر خورنده و غیر سرطان زا است و به طور کامل با استانداردهای جهانی زیست محیطی مانند EU REACH، RoHS و US UL مطابقت دارد و آن را به نماینده اصلی سیستم های بازدارنده شعله سبز تبدیل می کند.
پس از آبگیری هیدروکسید آلومینیوم، لایه ای از آلومینا فعال سفید، متراکم، با نقطه ذوب بالا و غیر قابل اشتعال (Al2O3) در محل روی سطح ماده تولید می شود.
اکسید آلومینیوم دارای نقطه ذوب تا 2050 ℃ است و دارای پایداری حرارتی و استحکام ساختاری قوی است و به عنوان یک مانع فیزیکی سه گانه عمل می کند:
1. انتقال حرارت را جدا کنید: شعله های خارجی را از تابش گرما به بستر داخلی جلوگیری کنید و از تجزیه حرارتی بیشتر مواد جلوگیری کنید.
2. بلوک چکیدن قطرات: مذاب پلیمر را برای جلوگیری از احتراق ثانویه یا گسترش آتش ناشی از چکیدن قطرات ثابت کنید.
3. گازهای قابل احتراق را قفل کنید: خروج گازهای قابل احتراق داخلی را مهار کنید و عرضه مواد سوزاننده را قطع کنید.
این لایه از پوسته آلومینا نمی سوزد، دود نمی کند یا نمی شکند، و یک پایه فیزیکی مهم برای دستیابی به تاخیر در آتش طولانی مدت هیدروکسید آلومینیوم است.
در حوادث آتش سوزی واقعی، دود غلیظ و گازهای سمی از عوامل اولیه آسیب هستند. مزیت اصلی هیدروکسید آلومینیوم در مقایسه با سایر مواد بازدارنده شعله، تاخیر در شعله همزمان و سرکوب دود قوی است.
مکانیسم سرکوب دود آن در سه جنبه منعکس می شود:
1. سرکوب در دمای پایین تولید دود و گرد و غبار: جذب گرما و خنک کننده از قبل برای کاهش دود سیاه، قطران و ذرات سمی تولید شده توسط ترک خوردگی در دمای بالا مواد.
2. جذب فیزیکی ذرات دود توسط لایه آلومینا: ساختار سطح متخلخل می تواند ذرات دود را جذب کرده و غلظت دود را کاهش دهد.
3. بدون آلودگی ثانویه: دود بسیار سمی مانند هالیدهای هیدروژن و دیوکسین تولید نمی کند و الزامات تراکم دود را در زمینه هایی مانند ساخت و ساز، حمل و نقل، مصالح داخلی و حمل و نقل ریلی برآورده می کند.
در کاربردهایی مانند رزین اپوکسی، مواد کامپوزیتی SMC/BMC، سیم‌ها و کابل‌ها، افزودن هیدروکسید آلومینیوم می‌تواند چگالی دود (DS) مواد را تا بیش از 60 درصد کاهش دهد و ایمنی آتش‌سوزی را به طور قابل‌توجهی بهبود بخشد.
هیدروکسید آلومینیومبه تنهایی عمل نمی کند و می تواند یک اثر کربنیزه شدن هم افزایی با ماتریس رزین در سیستم های پرکننده بالا ایجاد کند.
1. لایه آلومینا تشکیل سریع یک لایه کربن پایدار را در سطح زیرلایه ترویج می کند.
2. جذب گرما و کم آبی، تراکم لایه کربن را تسریع می کند و ظرفیت آنتی اکسیدانی آن را افزایش می دهد.
3. زمان احتراق را کاهش دهید، مواد را خاموش کنید و بلافاصله پس از ترک شعله، سوختن را متوقف کنید.
این اثر هم افزایی، هیدروکسید آلومینیوم را قادر می‌سازد تا کارایی بازدارنده شعله را بسیار بیشتر از پرکننده‌های غیرآلی معمولی در رزین‌های اپوکسی پر شده، پلی‌استرهای غیراشباع و الاستومرها نشان دهد.
با در نظر گرفتن اثرات فوق، هیدروکسید آلومینیوم از طریق یک مکانیسم منفرد به تاخیر در شعله دست نمی یابد، بلکه از طریق وقوع همزمان چهار عملکرد: جذب و خنک کننده حرارت، رقیق سازی فاز گاز، جداسازی فاز جامد، مهار دود و تثبیت کربن جامد، تشکیل یک شبکه سه بعدی کامل شعله را می دهد:
1. جذب گرما: خنک کننده اجباری برای جلوگیری از پیرولیز مداوم مواد.
2. انتشار آب: رقیق کردن اکسیژن و گازهای قابل احتراق.
3. تشکیل پوسته: تشکیل یک لایه عایق آلومینا.
4. سرکوب دود: کاهش دود سمی و افزایش ایمنی.
همچنین این دلیل اساسی است که چرا هیدروکسید آلومینیوم می تواند به ماده اصلی در زمینه جهانی بازدارنده شعله بدون هالوژن تبدیل شود.
