Исследования влияния антипиренов различного вида на горючесть полипропиленовых материалов

This article provides information about additives that are used to reduce the flammability of polymer compositions, in particular, flame retardants. At a certain degree of concentration of flame retardants in the material, the fire stops burning, due to various physical and chemical processes that occur, which do not allow the flame to ignite. The characteristics of the flame retardants used by the authors in their scientific research are given. These flame retardants are the following: aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, melamine, zinc borate, ammonium polyphosphate. It has been studied that phosphorus-containing compounds have a plasticizing ability, and are also able to increase the fire resistance of plastics. Under the influence of high temperatures, metal hydroxides decompose. The formation of water dilutes the flammable gases that are released during decomposition, reducing the rate of combustion. The effectiveness of hydroxides depends on their content in the polymer. Magnesium hydroxide is more expensive than aluminum hydroxide, but has a higher heat resistance. Flame retardants are key components in reducing the destructive effects of fire. The addition of flame retardants to plastics increases the fire protection parameters of materials, as well as general safety and stability parameters. The use of flame retardants is important because modern homes, with an increasing number of electronic products, pose a higher risk of fire. Therefore, flame retardants provide protection against the destructive effects of fire of various materials. In turn, flame retardants are capable of providing a high degree of fire protection.

Article info: received September 6, 2023.

Важной и актуальной проблемой является повышение огнестойкости полимерных материалов. Горение полимеров является сложным физико-химическим процессом. При изучении процесса горения полимеров выявлено, что самогашение материалов происходит в следствие испарения с поверхности большого количества частиц, не подлежащих горению, а также образование защитных полимерных пленок на поверхности, которые не способны поддерживать горение. В данной статье приведена информация о добавках, которые используются для снижения горючести полимерных композиций, в частности такими добавками являются антипирены. При определенной степени концентрации антипиренов в материале, замедляется процесс его горения, благодаря происходящим различным физическим и химическим процессам, которые не дают пламени разгореться. Дана характеристика используемых авторами антипиренов в своем научном исследовании. Этими антипиренами явились: гидроксид алюминия, гидроксид магния, меламин, борат цинка, полифосфат аммония. Изучено, что фосфорсодержащие со- единения обладают пластифицирующей способностью, а также способны повышать огнестойкость пластикатов. Под воздействием высоких температур гидроксиды металлов разлагаются. Образование воды способно разбавить горючие газы, которые выделяющихся при разложении, а также ослабить действие кислорода и уменьшить скорость горения. Эффективность гидроксидов зависит от их содержания в полимере [1].

Для повышения огнестойкости полимеров применяется несколько способов: введение в композицию наполнителей с пониженной горючестью; нанесение на поверхность огнезащитного покрытия; введение огнезащитных добавок — антипиренов. Наиболее эффективным является применение третьего способа. Использование антипиренов является важным для прекращения или замедления распространения огня. Задержка вспышки уменьшает скорость и интенсивность горения и увеличивает количество времени для ликвидации возгорания. Применение огнезащитных составов важно тем, что современные дома с увеличением количества электронных изделий представляют более высо- кий риск возникновения пожара. Следовательно, огнезащитные составы являются защитой от разрушительного воздействия огня различных материалов. В свою очередь антипирены способны обеспечивать высокую степень огнезащиты. Огнезащитные составы, являются ключевыми компонентами в сокращении разрушительного воздействия огня. Добавление огнезащитных составов в пластмассы, повышает параметры огнезащиты материалов, а также общие параметры безопасности и устойчивости [2].

Следует отметить, что антипирены не являются взаимозаменяемыми. Некоторые антипирены работают сами по себе, другие увеличивают противопожарные преимущества других антипиренов. Разновидность огнезащитных материалов необходима потому, что материалы, которые необходимо сделать огнеупорными, сильно отличаются по своей физической природе и химическому составу, поэтому они ведут себя по-разному во время сгорания.

Согласно закономерности горения полимеров, после того, как установился стационарный режим горения вблизи источника зажигания, в зависимости от условий окружающей среды (от концентрации кислорода, давления, температуры, скорости набегающего потока), теплофизических и термохимических свойств, геометрии образца и др., могут реализоваться два случая. Пламя либо локализуется, либо распространится по поверхности полимерного материала, что приведет к увеличению очага горения и полному охвату пламенем горючего материала. Поскольку точное решение двумерной задачи распространения пламени не представляется возможным, существует ряд приближенных моделей. Обычно задачу о распространении пламени по поверхности полимерного материала разделяют на два случая. Первый случай соответствует распространению пламени по поверхности образца из полимерного материала, толщина которого намного больше толщины прогретого слоя. Такие материалы принято относить к термически толстым топливам. Второй случай — когда толщина полимерного образца сравнима с толщиной прогретого слоя — это термически тонкие материалы. Кроме того, теплообмен пламени с поверхностью полимера сильно зависит от направления скорости потока окислителя по от- ношению к скорости распространения пламени [3].

Авторами был проведен эксперимент, целью которого стало изучение влияния наиболее общедоступных и недорогих антипиренов на горючесть и физико-механические свойства полимеров, в частности полипропилена. Была поставлена задача изготовления образцов из полипропилена (ПП) с добавлением антипиренов, методом горячего прессования для изготовления плит ДПК, применяемых в строительстве [4]. Первоначально был определен состав содержания компонентов, масс.% (таблица 1).

Использовали такие антипирены как:

– гидроксид алюминия (ГОСТ 11841);

– гидроксид магния (ГОСТ 34444);

– борат цинка (ТУ 11307-015-91);

– меламин (ГОСТ 7579);

– полифосфат аммония (ГОСТ 12.1.007).

Когда в материале присутствуют антипирены, обработанные огнезащитными составами, они могут действовать тремя основными способами, чтобы остановить процесс горения:

• 1.    Прерывать стадию горения огня.

• 2.    Ограничивать процесс декомпозиции.

• 3.    Разбавлять горючие газы и концентрации кислорода в зоне пламени путем испускания воды, азота или других инертных газов.

На сегодняшний день антипирены широко применяются в технологическом процессе, это указывает не только на высокий спрос, но и на наличие устойчивого научного прогресса в плане развития не только существующих антипиренов и огнезащитных составов, но в производстве новых препаратов, обеспечивающих высочайший уровень огнезащиты в обработанных поверхностях и материалах.

Одним из основных технологических направлений являются строительные материалы, к ним относятся:

• •    Кровельные компоненты

• •    Электрические провода и кабели

• •    Изоляционные материалы

• •    Краски и покрытия, применяемые к различным строительным материалам, включая стальные конструкции, металлические листы, дерево, гипс и бетон

• •    Композитные панели

• •    Изделия из конструкционной и декоратив-

  Таблица 1 – Составы композиций на основе полипропилена с добавлением антипиренов
  Образец №	Содержание компонентов, масс.%
  	ПП	Al (OH)3	Mg (OH)2	C ₃ H6N6	2ZnO·3B2O3·3,5H2O	(NH4PO3)n
  1	75	15			10
  2	60	30			10
  3	50	45			5
  4	40	60
  5	75		15		10
  6	60		30		10
  7	50		45		5
  8	40		60
  9	60			30	10
  10	60			30		10
  11	60			40

Рисунок 1 – Образцы измельченного полипропилена с антипиренами

Таблица 2 – Изгиб исследуемых образцов