ipg

Društvo inženjera plastičara i gumara Society of Plastics and Rubber Engineers

 

Početna strana O nama Skupovi Časopis Svet polimera Bilten IPG Publikacije i usluge Polimeri u Srbiji
Front page About us Meetings Journal World of polymers IPG Bulletin Publications and Services Polymers in Serbia

Usporivači gorenja za plastiku

 

1. avgust 2017

Aleksandra Mihajlović

  

 

Mnoge primene plastike ne mogu se zamisliti bez odgovarajućih usporivača gorenja

 

 

Šta su usporivači gorenja?

Usporivači gorenja (engl. flame retardants) – FR jesu supstance ili jedinjenja koji se dodaju drugim materijalima, kao što su plastika, premazi i tekstil, da bi sprečili ili smanjili širenje plamena.

Prve primene usporivača gorenja prethode početku Gregorijanskog kalendara. Egipćani su potapali drvo u kalijum- ili aluminijum-sulfat još oko 450 godina pre nove ere, a drvene trupce su premazivali sirćetom 360 godina pre nove ere kako bi povećali otpornost na plamen. Od tada su mnogi materijali korišćeni kao usporivači gorenja, uključujući glinu i gips. Tako je 1735. Obadiah Wilde dobio britanski patent br. 551 za smesu aluminijuma, natrijum-borata i fero-sulfata koju je koristio za usporavanje gorenja papira i tekstila. Njegov pronalazak je prvo primenjen za poboljšanje bezbednosti platna korišćenog u pozorištima i javnim zgradama.

 

Bronzani lonac za vodu u slučaju požara u carskoj palati u drevnoj Kini

 

Starinske posude za pesak za gašenje požara

 

Danas godišnja globalna tražnja usporivača gorenja prelazi 2 miliona tona. Najveći deo tražnje odnosi se na industriju plastike. Pošto su svi materijali na bazi ugljenika zapaljivi, a upotreba plastike veoma široka, potrebno je smanjiti rizik od nesreća izazvanih plamenom. Ako nije moguće izabrati polimer koji je strukturno samogasiv - rešenje je u dodavanju usporivača gorenja. On se može umešati sa osnovnim plastičnim materijalom ili hemijski vezati s njim.

 

Požari prouzrokuju veliku štetu (izvor: www.kisuma.com)

 

Vrste usporivača gorenja

Usporivači gorenja mogu biti neorganski ili mineralni, halogena jedinjenja ili na bazi drugih jedinjenja. Performanse halogenih FR odlične su, ali su neke od ovih hemikalija vezane sa zdravstvenim i ekološkim problemima. Rezultat je zabrana ili ograničenje primene nekih bromovanih i hlorovanih usporivača gorenja.

Neorganska jedinjenja pokazala su se bezbednijim, te se sve više koriste. Primeri su aluminijum-trihidroksid, mešavina minerala hantita (koji sadrži magnezijum i kalcijum), hidromagnezita i magnezijum-dihidroksida. Ovi mineralni FR su netoksični i funkcionišu endotermnom dekompozicijom. To znači da se na određenoj temperaturi jedinjenje razgrađuje i istovremeno apsorbuje toplotu i ispušta vodenu paru. Oksidi koji se formiraju stvaraju zaštitni sloj koji obezbeđuje smanjenje razvoja dima. Iako mineralni FR imaju znatne prednosti, nije uvek moguće zameniti halogene FR. Da bi se postigli standardi zapaljivosti u zahtevnim primenama, potrebno je dodavanje mineralnih FR u veoma visokim udelima, čak i do 80% težinskih. Kod primene mineralnih FR izbor najpodesnijeg često je zasnovan na njegovoj temperaturi dekompozicije. Aluminijum-trioksid (ATH) u principu je jeftiniji od magnezijum-hidroksida (Mg-hidroksid), ali započinje dekompoziciju na 180oC. Time je nepogodan za termoplaste kao što je polipropilen (PP) koji se prerađuje na 200oC. Za ove materijale često se izabira Mg-hidroksid koji je stabilan do 340oC. Ovaj usporivač gorenja proizvodi firma Kisuma Chemicals iz Japana pod komercijalnim nazicom „Kisuma 5“.

 

 

Hantit je mineral koji sadrži magnezijum i kalcijum i čija je

najveća primena kao aditiva za usporavanje gorenja kod plastike

Način delovanja FR

Radi razumevanja kako funkcionišu usporivači gorenja potrebno je razumeti kako materijal gori. Kada se vidi plamen na objektu koji gori u stvari se vidi sagorevanje zapaljivih gasova koji nastaju tokom toplotne dekompozicije u procesu pirolize.

 

 

Piroliza je proces u kojem dugolančani molekuli polimera degradiraju u manje molekule ugljovodonika i zapaljive gasove. Ovi gasovi mešaju se sa kiseonikom i dolazi do egzotermne hemijske reakcije u kojoj se stvaraju slobodni radikali (H i OH). Pri kompletnom sagorevanju stvaraju se voda, CO i specifični gasovi. Način na koji FR ometaju pirolizu polimera zavisi od prirode FR i prirode plastike koja gori. FR mogu biti aktivni ili reaktivni. Aktivni znače da su umešani u polimer, a reaktivni da su umetnuti u molekule polimera. Oba tipa mogu da spreče paljenje u gasovitom stanju u plamenu i u čvrstom stanju. Tri uobičajena postupka uključuju endotermnu degradaciju, kvenčovanje radikala u gasnoj fazi i toplotnu zaštitu.

Endotermna degradacija. Kao usporivači gorenja često se koriste mineralna jedinjenja i to: aluminijum-hidroksid i magnezijum-hidroksid. Ovi aditivi endotermno se razgrađuju kada su podvrgnuti velikoj toploti. U ovom procesu uklanja se toplota s plastike i materijal se hladi. Visoke temperature prerade plastike i relativno niske temperature dekompozicije kod hidroksida i hidrata ograničavaju njihovu primenu. Mineralni usporivači gorenja obično su u formi aditiva i uključuju jedinjenja bora, antimon-oksida, minerala hantita, hidromagnezita i oksida cinka.

 

Kvenčovanje radikala u gasnoj fazi. Najčešći usporivači gorenja u ovoj kategoriji jesu bromovana jedinjenja (BFR) koja su organo-halogena. Hlorovana i bromovana jedinjenja prolaze kroz toplotnu degradaciju oslobađajući HCl ili vodonik-bromid (HBr). Oni reaguju sa H i OH radikalima u plamenu stvarajući radikale hlora i broma. Pošto su halogeni radikali manje reaktivni od H i OH radikala, oni usporavaju reakciju oksidacije u plamenu. Halogeni FR su jeftini i uspešno funkcionišu kod širokog niza polimera, ali su zbog moguće štetnosti u ograničenoj upotrebi širom sveta.

 

Toplotna zaštita. Fosforni usporivači gorenja uključuju fosfatne estre koji ne sadrže halogene elemente i deluju u čvrstom stanju kod zapaljivih materijala. Kada se zagreje fosfor nastaje fosforna kiselina koja formira debeo ugljenisani sloj na materijalu koji gori. Ovaj ugljenisani sloj sprečava pirolizu i ima sve manje materijala za nastajanje plamena. Mogu se koristiti samostalno ili u kombinaciji sa halogenim FR.

 

 Crveni fosfor je veoma efikasan usporivač gorenja (foto: Clariant)

 

 

Sinergisti. Najveći broj usporivača gorenja jesu kombinovani aditivi radi poboljšanja ukupne efikasnosti. Tako se npr. bromovana jedinjenja često koriste u sinergiji sa antimon-trioksidom. Ova kombinacija ponaša se kao katalizator za ubrzano oslobađanje radikala broma i hlora pri kvenčovanju radikala u gasnoj fazi.

 

Korišćeni izvori:

www.kisuma.com

www.craftechind.com