התקדמות אחרונה בכימיה פולימרית מעצבת מחדש את בטיחות האש על פני תעשיות בנייה לתחבורה. מדי שנה, שריפות לגרום לאלפים הרוגים ומיליארדים של דולרים בנזק לרכוש, נהיגה בביקוש דחוף לחומרים המתנגדים לזריחה ולהגבלת הלהבה להתפשט.

הבנה של מכונאים ואתגרים של Flame-Retardant Mechanisms and Challenges

כדי להעריך התקדמות עיצוב מבני, חיוני להבין כיצד משחתות להבות עובדות.פולימרים נשרפים דרך מחזור של השפלה תרמית: חום שובר שרשראות פולימר לתוך דלקים תנודתיים, אשר לערבב עם חמצן והצית, לשחרר יותר חום.

  • (ב) [15] ,0) , עכבות של גרד: 1 (החומרים הרדיקליים (למשל, תרכובות נשכו) מחלחלות ללהבה-הההההה של רדיקלים חופשיים.
  • (FLT:0) מערכות אינפראנטיות של כריז: ⁇ 1:1 יוצר שכבת פחמן המבודדת המבודדת את החומר הבסיסי והמגבלות החום והחמצן.
  • (ב) תגובות אנדורמיות:0) מינרלים מוברחים כמו אלומיניום trihydroxide מסתכם בסופו של דבר, סופג חום.
  • (ב) ⁇ :0 (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

משחתות מסורתיות של להבות halogenated (למשל, פוליברומיד diphenyl ethers) היו סוכנים יעילים מאוד של גז-phase, אבל ההתמדה שלהם, ביוקמולציה, ו רעילות הובילה לאסורים תחת האמנה שטוקהולם ו- RoHS הנחיות. האתגר הוא להתאים או להתעלות על היעילות שלהם עם כימאיים בטוחים יותר.

אסטרטגיות עיצוב אינטגראלי עבור הגדלת הלהבות

עיצוב פולימר בעל שם לב מתחיל ברמה המולקולרית.במקום פשוט להוסיף ממלא אבקה, מהנדסים עכשיו לשנות את הארכיטקטורה פולימרית כדי לבנות התנגדות לחומר עצמו.התת הבאה מפרטת את האסטרטגיות המשפיעות ביותר.

שילוב של זרחן, ניטרוגן וסיליקון

(הופנה מהדף Phosphorus-based Flame Retardants הם בין ה-Multicial ביותר.הם פועלים בעיקר בשלב הסגור, היווצרות כריזמה קטינגרדית על ידי קידום חיבורים ודה-היד של הפולימרנים (phosphorus- המכילה את המונותמרנים) אשר משלבים את החמצן (למשל, 910-Fsphena-10-phosphenantene-10-oxide), יכולים לסווגן, ו-Fexigmindexeric) חומרים חנקן, ו-Fgicialstogcintogicialstog;

הסיליקון, בצורת סיליקון, סילסקינים, או silica nanoparticles, משפר יציבות תרמית על ידי הקמת מחסום דמוי קרמיקה על פני השטח פולימרי. מחסום זה מעכב דיפוזיה חמצן ומפחית את שערי שחרור החום עד 50% בחלק ממערכות פוליקרבות פוליקרבונטיות.

Cross-Linking and Network Architecture

הגדלת צפיפות החצוצרה של פולימר מפחיתה את הניידות שרשרת מעלה את הטמפרטורה הנדרשת להשפלה תרמית.מדפי ביצועים גבוהים כמו epoxy resins כבר נהנה מחיבור צלב, אבל עיצובים חדשים יותר משלבים אג"ח דינמי שיכולה לייצב מחדש תחת לחץ ללא קידוד ביצועים אנכיים של סרן / links-Lowrelinks - כולל ביצועים חנקנים: 2, לדוגמה, 000 חנקן-Frelimateer-Fure-Fer-Fer-Fer-linked ביצועים נוספים: שיפור ביצועים חנקן-Firated.

להקות פולימר וכלוי

בלגן שני פולימרים לא אמינים יותר יכול ליצור אפקטים סינרגיים להבה-retardant.בדרך כלל, פולימר ממטריקס (למשל, פוליפרופילן) משולב עם פולימר פולימרן סופר-מוכר (למשל, פולימיד 6) ו- compatizer אחרון (piczer) במהלך הדבקה, פולימרים char-forming נודדים אל פני השטח, שכבת הגנה (למשל, גישה פולינפטית) אך פולימרנית חדשה (Apgitis) משתמשת) ללא טיפול תרופתית) אך ורק על ידי פולימרופתית (תרופה אחת (תרופה) ותרופה) אך ורק עלות).

בלהבת הלהבה-Retardant Polymers: Molecular Engineering

התנגדות להבה בלתי פוסקת מושגת על ידי תכנון עמוד השדרה הפולימרים להיות יציב מבחינה תרמית או ליצור כריז ללא תוספים.זה נמנע מבעיות של הגירה, פריחת ואובדן של תכונות מכניות המגפות מערכות מסורתיות.

Aromatic and Heterocyclic Backbones

פולימרים עם טבעות ארומטיות קשיחות, כגון פולימידים, פוליבנזימידאזול, ופוליוישטורלון (PEEK), להציג ערכי LOI מעל 40 כי המבנים שלהם מאוד מחוסנים דורשים אנרגיה משמעותית כדי לשבור ולנטה לפחמן במקום להמיס ולפטפטפטפטפטפט. לדוגמה, סרטים פולימידיים המשמשים בלוחות מעגלים גמישים עוברים 94V-0 עם לא תוספת של פלמה, הודות ליכולת של צלצול יקר, לעתים קרובות.

המונחים: intrinsic FR Monomers

(הקדמה בכימיה סינתטית מאפשרת כעת שילוב של מטעני להבה ומזלנים ישירות לתוך עצמות פולימרניים ללא יכולת הקרבה של תהליך ה- Phosphorus- and חנקן המכיל diamines ו-diacids לייצר פולימידים ופוליסטרים כי הם עמידים בלהבה מטבעם.דוגמה בולטת היא עובי המכילה 6TPA6), אשר השווה דיור נמוך ל- 0F4 מעלות צלזיוס:

תצורת צ'ר דינמי באמצעות self-Assembly

אסטרטגיות חדשות כוללות פולימרים המכילים עצמית מאגדות על חימום.לדוגמה, לחסום copolymers המכילים פולי(אתילן תחמוצת) ופטורים פולי (חומצה גלקטית) כאשר מעורבב עם כמות קטנה של סלק ממין melamine, טופס שכבת כריזמה אחידה על החשיפה.

הלהבה-Retardant Polymers

ננוטכנולוגיה פתחה שליטה חסרת תקדים על הלהבה מחדש. בקנה מידה ננומטר, ממלאים יוצרים נתיבים טוריים עבור בריחה דלק תנודתית והעברה חום, בעוד שיווצרות כריזמת צ'ילה גדולה של פני השטח - יחס של חלקיקים פירושו כיסים קטנים (בדרך כלל 1–5 wt%) יכולים לשפר באופן משמעותי את ביצועי האש מבלי להתפשר על תכונות מכניות.

ננוקליות ושכבות כפולות הידרוקסידים

Montmorillonite (MMT) ננוקלי הוא הננופיל הנפוץ ביותר. Exfoliated שכבות חימר ליצור מחסום פיזי בהמיס פולימר, צמצום קצב שחרור חום שיא (PHRR) ב 40-60% במבחנים calorimeter cone.Oro-modification עם מחסומי ammonium quaternary משפר את הפיזור במכ"ל לא קוטבי.

פחמן ננופס וגביע

Multi-קירום צינורות פחמן (MWCNTs) וגרף ננופלאונים יוצרים רשת מבוזרת סופגת חום קורננט ומגבילה את ניידות שרשרת פולימרים.בפוליאתילן, 2 wt% MWCNT מפחיתה את ה-PHRR על ידי 70%.עם זאת, פיזור הומוגני נשאר מאתגר עקב כוחות ואן דר וייטליזציה של ננו-קוגניציה עם מולקולות של photogenic (Fred) מופחתת (Fredn) ו-Fredn) מופחתת, 000 פיזור פונקציונליים, 000) פיזור פונקציונליים, 000 phon) ו-Fgic, 000.

Polyhedral Oligomeric Silsquioxanes (POSS)

ננו-מבנה POSS משלב כלוב דמוי אחיקה עם תת-קבוצות אורגניות שניתן להתאים להתאמה עם פולימרים שונים.אדריכלות האורגנית-אורגנית ההיברידית שלהם מספקת יציבות תרמית ותהליךיות. מולקולות POSS פועלות כחיזוק ברמה מולקולרית; ב-5 wt% טעינה בפולי מתיל methacrylate (PM), הן מגבירות את טמפרטורת הפירוק על ידי 50°C ולהפחית את יכולת הנקה.

Intumescent ננוקומביטים

שילוב ננומטים עם מערכות אינפואנט מסורתיות (למשל, ammonium פוליפוס, pentaerythritol, melamine) מניב ביצועים יוצאי דופן. nanoparticles מחזק את שכבת char, למנוע ממנו מסדקים או מכווץ תחת חום פלוקס. לדוגמה, הוספת 1 wt% של אונקוואי לפורמולן intumscenterylen מוגברת מ 2 מ"מ"מ עד 4 מ"מ נוסף על ידי הורדת חום.

יישומים, בדיקות סטנדרטיות ונוף רגולטורי

הערך המעשי של ההתקדמות מבנית אלה נמדד על ידי בדיקות סטנדרטיות קפדניות המדהימות תרחישים של אש בעולם האמיתי כוללים:

  • (FLT:0)50 9403FLT:1 (תחת מכונות מעבדות): בדיקות כוויות אנכיות ונוף אופקיות מסווגות פולימרים כמו V-0 (best), V-1, V-1, V-2, או HB (worst).
  • מדד חמצן (LOI)BuildFLT:1 (ASTM D2863): ריכוז החמצן המינימלי כדי לקיים את הבעירה.חומרים עם LOI > 28 נחשבים להגדרה עצמית באוויר (21% O2).
  • (FLT:0Cone CalorimetryFLT:1 ⁇ : Measures חום שחרור קצב, שחרור חום מוחלט, ייצור עשן תחת השפעת חום רדיואקטיבית מבוקרת.זה מתאים הכי טוב עם התנהגות אש בקנה מידה אמיתי.
  • (ב) 60695-11-10FLT:1 (IEC): תקן עולמי לבדיקת רגישות של רכיבים חשמליים ואלקטרוניקה.

מגזרי יישום מרכזיים ודרישותיהם כוללים:

<חזק>Building and Construction: קצף בידוד פלסטיק (למשל, פוליסוצינאורט, פוליאורטן) דורש מחזרי להבה כדי לעמוד בקודי בניין כמו ASTM E84 (ד"ע להפיץ אינדקס <75). הפולולים המבוססים על זרחן לאחרונה לייצר קצף נוקשה עם דירוגי אש מסוג A ללא שימוש כלור או מופרעים.

(FLT:0) Electronics:FLT:1 Casings, מחברים ולוחות מעגלים חייבים לעבור UL 94 V-0 במדדים דקים. phosphorus- המכיל epoxy resins עבור לוחות מעגלים מודפסים להחליף tetrabromobisphenol A (TBBPA) בתחומי שיפוט רבים.

(FLT:0) Transportation:FLT:1 מטוסים פנים חייב לציית FAR 25.853 (תקנות תעופה עתירות) ו- AIF /SE 66067 (גבולות קצב שחרור חום) nanostructured thermoplastics, כגון פוליתרמייד / פחמן ננו-בועים, להשיג סטנדרטים אלה תוך צמצום משקל.

לחץ רגולטורי ממשיך להגדיל את תקנות ה-REACH של האיחוד האירופי, תוכנית הבחירה הבטוחה של ארה"ב, ואיסורים שונים ברמה המדינה על פיגור של להבות נשגבות (למשל, האיסור של מדינת וושינגטון על דה-caBDE באלקטרוניקה) מניעים השקעות בחומרי הדור הבא.

שיקולים סביבתיים וקיימות

עיצוב פולימר רב-הלהבה מודרני חייב לטפל בכל מחזור החיים: מיקור חומרי גלם, ייצור, בטיחות שימוש, וסילוק סוף-חיים כוללים: אזורי מפתח של מיקוד כוללים:

ה-Lologen-Free-Toxicity Formulations

המעבר מן הhalogens כמעט שלם בשווקים רבים. Phosphorus- ו חנקן מערכות לייצר פחות עשן עם רעילות נמוכה יותר מאשר מקבילים halogenated. עם זאת, כמה תרכובות זרחן (כגון טריס(chloropyl) pusto, TCPP) חשודים עכשיו משבשי רעלנים, מה שמוביל מחקר לתוך פולימרניים אופוחיות פולינזיים גדולים נחשב לקריטריונים bioacphic גדול מדי (למשל, 000).

שם מקור: Bio-based and Renewable Flame Retardants

Lignin, חומצה פיטית, וצ'יטוסאן הם פולימרים מתחדשים עם תכונות להבה פנימית של להבה-retardant בשל התוכן שלהם זרחן גבוה או חנקן. Lignin-derived char לשעבר, כאשר בשילוב עם ammonium פוליפוס, לייצר קצף פוליאורטן עם V-0 דירוגים. אלה המבוססים על ביולוגית עדיין יעילים פחות מאשר, אבל שינוי מתמשך של מחקר כימי (Lin) הוא 10 ליטרים קצרים.

אחריות וכלכלה מעגלית

תוספי להבת-רחש לעתים קרובות מסבך את מחזור על ידי degrading בטמפרטורות עיבוד גבוהות או על ידי השלמת זרמים ממוחזרים. באופן בלתי נמנע פלמים פולימרים פולימרים, כגון זרחן המכיל פוליסטרים המכילים phosphorus שהוזכר קודם לכן, הם יותר ברמונים מכניים כי moy הוא מחובר כימית.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

הדור הבא של פולימרים בעלי הלהבה צפוי לשלב תגובה, הגשמה עצמית, ורב-תפקוד.חלק מהגבול המבטיח כוללים:

חומרים חכמים

ציפויים ותוספים מגיבים לחום על ידי נפיחות 10-100 פעמים עובי המקורי שלהם בשימוש נרחב להגנה פלדה.נוסחאות חדשות לשלב microencapsulated סוכנים של אש מפרש (למשל, halocarbons או טיפות מים קנס) אשר שחרור כאשר פולימרים פולימרים.

« הלהבה עצמית Retardants

מיקרוcapsules המכילים תרכובות להבה-רחשות ניתן להטמיע בפולימרים; קפסולות אלה מתפרצות על נזק מכני או חום, שחרור המהדהד.לדוגמה, מיקרו-קנסמפוס פוליפוסמוס הוסיף ציפוי פוליפוספטים לשחזר התנגדות אש לאחר שיטה. גישה זו מרחיבה את שירותם של רכיבים קריטיים בטיחותיים.

למידה של חומר

תכנון פולימר עם מגבלות מרובות - מודלים של פיגור מחדש, כוח מכני, חסכוני, וטביעה סביבתית - הוא בעיה אופטימיזציה תלת מימדית של מכונות למידה מאומן על מסדי נתונים של מבנים פולימרים ו UL 94 דירוגים שלהם, ערכי LOI ונכסים תרמיים יכולים לחזות מועמדים מבטיחים לפני סינתז. לדוגמה, מחקר 2023 המשמש רשתות עצביות למסך 100,000 פולימרים וירטואליים עבור הלהבה מחדש, זיהוי של 200 מועמדים ניסיוניים עבור תקפים.

חידושים של NNOCOMposite

פיזור סקאלה של חלקיקים נשאר מחסום לאימוץ מסחרי.שיטות כגון תרכובת מאסטרבטץ, חד-פעמי עם החלפת in-situ, ורסס אלקטרוסטטי ממוטבים.

מסקנה

העיצוב המבני של פולימרים להבה-רחשיים התפתח משילוב פשוט של תוספת להנדסת מולקולרית מתוחכמת. על ידי הטמעת זרחן, חנקן וסיליקון לתוך עצמות פולימר, הגדלת צפיפות חוצה קישורים, ומינוף המאפיינים הייחודיים של ננופלרים, חומרים מודרניים להשיג בטיחות אש ללא שילוב ביצועים או אחריות סביבתית.