• горючестью, т.е. способностью материала загораться, поддерживать и распространять процесс горения;
• дымовыделением при горении и воздействии пламени;
• токсичность продуктов горения и пиролиза- разложения вещества под действием высоких температур;
• огнестойкостью конструкции, т.е. способностью сохранять физико-механические (прочность, жесткость) и функциональные свойства изделия при воздействии пламени. Один из способов снижения горючести полимерного материала - введение в полимер инертных наполнителей. Их можно разделить на две группы: • минеральные наполнители, устойчивые до температуры 1000* С - оксиды металлов, фториды кальция и лития, силикаты, технический углерод, неорганическое стекло, порошкообразные металлы и т.п.
• вещества, разлагающие при температуре ниже 400-500* С с поглощением тепла и обычно с выделением углекислого газа и /или паров воды, аммиака - гидроксиды, карбонаты, гидрокарбонаты, гидрокарбонаты металлов, аммоний фосфаты и т.д. Дополнительное тепло при введении наполнителей первой группы тратится на нагрев наполнителей от начальной температуры до температуры поверхности полимера. Однако, в балансе тепла вклад такого нагрева невелик и изменение кислородного индекса при введении разумного количества наполнителя мало. Но при больших степенях наполнения материал становится слишком хрупким, его физико-механические свойства обычно не удовлетворяют необходимым требованиям. Больший эффект может быть получен введением наполнителя, разлагающегося с поглощением тепла. Классическим примером такого наполнителя является гидроксид алюминия Al(OH)3 около 55-65 мас.%. В этом случае снижение горючести существенно зависит от соотношения теплопотерь на разложение наполнителя и всех других потерь тепла от пламени, которые всегда тем выше, чем больше общая теплота горения полимера. Поэтому введение 60% Al(OH)3 в полиэтилен не приводит к существенному повышению кислородного индекса (КИ увеличивается с 17,5 до 25-26), в то время как КИ полиформальдегида, обладающего значительно меньшей теплотой сгорания, при этом увеличивается от 15,3 до 40.
Одним из наиболее эффективных ингибиторов процессов горения полимеров является фосфор и его соединения. Действия фосфоросодержащих антипиренов (замедлителей горения) обычно объясняют следующим образом. При пиролизе полимеров, содержащих соединения фосфора, происходит образование фосфорной кислоты и ее ангидритов, которые катализируют дегидратацию и дегидрирование и способствуют процессу карбонизации. В последнее время стали применять не только низкомолекулярные, но и полимерные фосфоросодержащие антипирены. Эти полимерные добавки имеют лучшую совместимость с основным полимером, меньше мигрируют из полимерного материала. Отличаются более высокой стойкостью к различным внешним воздействиям и при относительно низком содержании фосфора являются эффективными антипиренами. Представляет интерес возможность придания огнестойкости полимерным композициям,содержащим обычные эпоксидные, полиэфирные и др. смолы путем армирования их "огнезащитными" фосфоросодержащими химическими волокнами (т.е. волокнами, модифицированными фосфоросодержащими химическими соединениями). В этом случае одновременно улучшаются физико-механические свойства за счет армирования прочными волокнами и снижается горючесть из-за усиления коксообразования на поверхности горящего полимера. В качестве эффективных антипиренов в последние годы широко применяются оксиды и гидроксиды различных металлов, соли органических и неорганических кислот, хелатные комплексы. Существенным преимуществом этих антипиренов является то, что их можно использовать в концентрациях, намного меньших, чем концентрации фосфора и галогеносодержащих соединений. Идея защиты материала от огня путем образования на его поверхности коксовой "шапки" была доведена до логического конца. Когда стали разрабатываться и применяться так называемые вспучивающие покрытия. Эти покрытия при воздействии огня образуют пористый пенококс, увеличивая толщину в десятки раз. Образующий кокс имеет низкую теплопроводность и какое-то время защищает основной материал или конструкцию от теплового потока. Вспучивающие покрытия представляют собой сложные композиции, состоящие из полимерного связующего и целого ряда добавок для обеспечения вспенивания, необходимой вязкости и быстрой карбонизации при нагреве. В последнее годы интенсивное развитие получило введение антипиреновых добавок в полимерные композиции в виде микрокапсул. Оболочка капсулы изготовлена из полимера, например, из желатина, поливинилового спирта, размеры ее составляют десятки и сотни микрон. Четыреххлористый углерод, тетрафтордибромэтан и др. фреоны- галоидуглеводороды в микрокапсулированном виде намного эффективнее снижают горючесть полимерной композиции, нежели введенные в чистом виде. Оказалось, что жидкость, находящаяся внутри микрокапсул, к моменту их вскрытия подвергается сильному перегреву (на 100-200*С выше температуры кипения). Устойчивое (метастабильное) перегретое состояние жидкости внутри них обусловлено отсутствием зародышей парообразования. При достижении температуры начала разложения оболочки микрокапсулы на ее поверхности образуются дефекты, которые становятся зародышами образования газовой фазы. Если к этому моменту жидкость перегрета, происходит резкое увеличение давления, и микрокапсула взрывается. Чем сильнее перегрета жидкость, тем сильнее взрыв. Наличие микровзрывов приводит к диспергированию полимерной матрицы: частички полимера отрываются от основной массы и уносятся из зоны пламени. Т.о., органический полимер, который в обычных условиях под действием пламени пиролизуется, образуя горючие газовые продукты, в результате диспергирования уносится в виде твердых частиц, окруженных газовым облаком антипирена. Полимерный материал, содержащий микрокапсулированный эффективный антипирен, такой например, как тетрафтордтбромэтан, может быть не только горючим, но и огнегасящим. А.А. Берлин МФТИ www.polymery.ru |
