Применение антипиренов в пластиковых изделиях

Антипирены являются ключевыми добавками для обеспечения безопасности пластиковых изделий. Ингибируя цепную реакцию горения, образуя барьерный слой или разбавляя горючие газы, они снижают воспламеняемость пластика, замедляют распространение пламени и уменьшают выделение дыма и токсичных газов. Сами пластики в основном являются горючими материалами (например, ПЭ и ПП с кислородным индексом всего 17–19). Добавление антипиренов может повысить кислородный индекс до 26 и выше и даже достичь уровня негорючести. Они широко применяются в электронике, строительстве, автомобилестроении, бытовой технике и других областях. По механизму действия их можно разделить на аддитивные и реактивные типы. В настоящее время они разрабатываются в направлении низкого дымообразования, низкой токсичности, безгалогеновой защиты окружающей среды, высокой эффективности и долговременной эффективности, что является основным условием обеспечения безопасного использования пластиковых изделий.

1. Основной механизм действия антипиренов: многомерная блокада горения.

1. Газообразный антипирен: подавляет цепную реакцию горения.

Антипирены разлагаются при высоких температурах с образованием поглотителей свободных радикалов (например, галогенидов водорода в галогенированных антипиренах), которые захватывают активные свободные радикалы во время горения, прерывают цепные реакции и предотвращают распространение пламени:

Представительная продукция: Бромсодержащие антипирены (декабромдифенилэтан, тетрабромбисфенол А);

Сценарии адаптации: корпус электронного оборудования из АБС-пластика, автомобильные компоненты из ПП, высокая эффективность антипирена с добавлением 5% -15% для соответствия стандарту.

2. Конденсированная фаза антипирена: образует физический барьерный слой

Обугленный слой, стекловидное вещество или пенный слой, образующийся при разложении антипирена, покрывает поверхность пластика для изоляции кислорода и тепла и предотвращения дальнейшего горения:

Типичные продукты: Антипирены на основе фосфора (красный фосфор, фосфатный эфир), антипирены с эффектом расширения;

Сценарии адаптации: строительные материалы из ПВХ, электронные компоненты из ПА, не содержащие галогенов и экологически чистые, с низким дымообразованием.

3. Разбавленный антипирен: снижает концентрацию горючих газов

При разложении антипиренов образуется большое количество негорючих газов (таких как азот и углекислый газ), которые снижают концентрацию горючих газов и кислорода при разложении пластика, что делает невозможным поддержание горения.

Типичные продукты: Антипирены на основе азота (меламин, соли гуанидина);

Сценарий адаптации: полиэтиленовая пленка, полипропиленовый тканый мешок в сочетании с другими антипиренами для усиления огнезащитного эффекта.

2. Основные типы огнестойких материалов и совместимые с ними пластмассы: характеристики и соответствие условиям эксплуатации

1. Антипирены на основе галогенов: эффективные и недорогие, подходят для многих видов пластика.

Основные преимущества: высокая огнезащитная эффективность, хорошая совместимость с пластмассами, низкая стоимость и небольшое количество добавки (5%-15%);

Совместимые пластики: ПЭ, ПП, АБС, ПВХ;

Типичные области применения: корпус телевизора из АБС-пластика, детали салона автомобиля из полипропилена, могут достигать уровня огнестойкости УЛ94 V-0, но выделяют галогеноводороды во время горения, что ограничивает возможности применения в сценариях с высоким уровнем защиты окружающей среды.

2. Безгалогенный огнестойкий материал: экологически чистый и с низким дымовыделением, подходит для использования в условиях высокого уровня загрязнения.

Основные преимущества: не содержат галогенов, малодымятные, малотоксичные, соответствуют стандартам Евросоюз RoHS и ДОСТИГАТЬ, подразделяются на фосфорную серию, азотную серию и расширяющегося типа;

Совместимые пластики: ПА, ПК, ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ, ПП;

Типичные области применения: электронные разъёмы из полиамида, корпуса ноутбуков, провода и кабели из полиэтилена. Антипирены на основе фосфора (например, красный фосфор) можно добавлять в полиамид в концентрации 10–20% для достижения уровня V-0. Антипирены расширяющегося типа подходят для строительных материалов из ПВХ.

3. Реактивный антипирен: долговечный и стабильный, подходит для конструкционных пластиков.

Основное преимущество: прививается к молекулярным цепям пластика посредством химических связей, без миграции или осаждения, с длительным огнезащитным эффектом;

Совместимые пластики: ПЭТ, ПК, эпоксидная смола;

Типичные области применения: огнестойкое волокно ПЭТ, огнестойкие платы ПК, эпоксидная смола для электронной упаковки, хорошая термостойкость, подходит для долгосрочного использования.

4. Неорганические антипирены: экологически чистые и недорогие, подходят для изделий среднего и низкого ценового диапазона.

Основные преимущества: нетоксичность, отсутствие дыма, низкая стоимость, функция подавления дыма;

Представительная продукция: гидроксид алюминия, гидроксид магния;

Совместимые пластики: ПЭ, ПП, ПВХ;

Типичные области применения: полиэтиленовые водопроводные трубы, огнестойкие кабельные оболочки из ПВХ с добавлением 30% -60%, что немного снижает механические свойства пластика.

3. Практика применения антипиренов в основных пластиковых изделиях

1. Электронные и электротехнические пластики: высокая огнестойкость + низкая токсичность дыма

Электронный разъем ПА:

Формула: смола ПА6 + 15% антипирена на основе красного фосфора + 5% синергиста + 0,3% антиоксиданта;

Эффект: класс УЛ94 V-0 (1,6 мм), кислородный индекс ≥ 32%, низкая плотность дыма, соответствует требованиям пожарной безопасности электронных устройств.

Корпус фрезера из АБС-пластика:

Формула: АБС-смола + 12% декабромдифенилэтан + 5% триоксид сурьмы + 0,2% антиоксидант;

Эффект: класс УЛ94 V-0, высокая огнестойкость, контролируемая стоимость, соответствует стандартам безопасности бытовой техники.

2. Строительные материалы: пластики, устойчивые к атмосферным воздействиям + долговременные огнестойкие

Огнестойкий кабельный канал из ПВХ:

Формула: ПВХ-смола + 40% гидроксид алюминия + 10% карбонат кальция + 3% кальциево-цинковый стабилизатор;

Эффект: кислородный индекс ≥ 28%, негорючесть уровня B1, высокая устойчивость к атмосферным воздействиям, подходит для использования в предварительно заглубленных зданиях.

ЧП огнестойкая геомембрана:

Формула: полиэтиленовая смола + 30% гидроксид магния + 5% азотсодержащий антипирен + 0,2% светостабилизатор;

Эффект: уровень УЛ94 V-1, малодымный и нетоксичный, подходит для использования в целях предотвращения пожаров, например, на свалках и в туннелях.

3. Автомобильные пластики: огнестойкие + легкие

Дверная панель автомобиля из полипропилена:

Формула: полипропиленовая смола + 20% антипирена с эффектом расширения + 10% талька + 0,3% антиоксиданта;

Эффект: класс УЛ94 V-0, показатель сохранения ударной вязкости 80%, легкий и с низким дымовыделением, соответствует стандартам безопасности салона автомобиля.

Автомобильный бампер из ПК/АБС:

Формула: сплав ПК/АБС + 15% фосфорного антипирена без галогенов + 0,5% компатибилизатора;

Эффект: класс УЛ94 V-0, хорошая ударопрочность, не выделяет токсичных газов при горении, подходит для наружных нужд противопожарной защиты автомобилей.

4. Пластик для проводов и кабелей: огнестойкий + термостойкий

Огнестойкая оболочка провода из полиэтилена:

Формула: полиэтиленовая смола + 25% гидроксид магния + 8% антипирен на основе азотно-фосфорного соединения + 0,2% антиоксидант;

Эффект: испытание на горение в пучке соответствует стандарту, кислородный индекс ≥ 30% и термостойкость 70 ℃, подходит для бытовой и промышленной электропроводки.

Материал кабеля ПВХ, огнестойкий:

Формула: ПВХ-смола + 15% хлорированный парафин + 5% триоксид сурьмы + 2% кальциево-цинковый стабилизатор;

Эффект: Огнестойкость класса B, высокая механическая прочность, низкая стоимость, широко используется в кабелях низкого напряжения.

4. Проблемы применения и тенденции развития

1. Существующие проблемы

Высокое содержание безгалогенных антипиренов может легко привести к снижению механических свойств пластмасс;

Некоторые антипирены (например, галогенированные соединения) недостаточно экологичны и ограничены на таких рынках, как Европейский Союз;

Достичь баланса между огнестойкостью и технологичностью сложно, а некоторые антипирены влияют на текучесть расплавов пластмасс.

2. Тенденции развития

Эффективность без галогенов: разработка наноразмерных, составных антипиренов без галогенов, снижение количества добавляемых компонентов (с 20% до менее 10%) и обеспечение баланса между эксплуатационными характеристиками и защитой окружающей среды;

Многофункциональная интеграция: разработка "огнестойких + антиоксидантных + атмосферостойких композитных добавок, упрощение формул, таких как интегрированные добавки для подавления дыма и огнестойкости;

Антипирены на биологической основе: изготавливаются из растительных экстрактов, таких как производные крахмала и лигнина, нетоксичны и биоразлагаемы, подходят для экологически чистых пластиковых изделий;

Реактивная модернизация: разработка высокоактивных реактивных антипиренов для повышения стабильности их сцепления с пластмассами и адаптации к высококачественным конструкционным пластмассам.

5. Резюме: Антипирены — "hзащитный экран для пластиковых изделий

От огнезащиты электронных устройств до требований к огнестойкости строительных материалов и стандартов безопасности автомобильных салонов – антипирены блокируют горение по многим направлениям, создавая прочную линию защиты для безопасного использования пластиковых изделий. Они не только обеспечивают безопасность, но и напрямую определяют границы применения пластиковых изделий (например, в условиях повышенного риска в электронике, автомобилестроении, строительстве и т.д.). В будущем, благодаря прорывам в области безгалогеновых, высокоэффективных и экологичных технологий, антипирены будут способствовать дальнейшему развитию пластиковой промышленности в направлении безопасности, защиты окружающей среды и высокого уровня качества, обеспечивая безопасность для большего числа применений пластика в различных условиях.