Über die Flammhemmung hinaus ist die Rauchunterdrückung wichtig! PVC-Verbrennungstechnologie „Verkohlungsbildende Rauchfixierung“ rekonstruiert Sicherheitsstandards für Kabelverbindungen

Über die Flammhemmung hinaus ist die Rauchunterdrückung wichtig!

PVC-Verbrennungstechnologie „Verkohlungsbildende Rauchfixierung“ rekonstruiert Sicherheitsstandards für Kabelverbindungen

I. Vorwort

An einem Brandort behindert der dichte schwarze Rauch, der bei der PVC-Verbrennung entsteht, nicht nur die Sicht, sondern dient auch als tödlicher „Hauptkiller“. Herkömmliche Flammschutzmittel können Flammen löschen, können den Rauch jedoch nicht kontrollieren. Heute diskutieren wir ausgehend vom grundlegenden Mechanismus, wie wir das Rauchemissionsproblem von PVC an der Quelle angehen können, indem wir das Konzept der „Rauchunterdrückung durch Verkokungsbildung“ anwenden.

II. Ein häufiger Schmerzpunkt

Wer mit Kabelverbindungen arbeitet, weiß, dass PVC (Polyvinylchlorid) trotz seiner hervorragenden Gesamteigenschaften und geringen Kosten eine problematische „Achillesferse“ hat – es erzeugt beim Verbrennen außergewöhnlich starken schwarzen Rauch. Stellen Sie sich ein Szenario vor: Alternde elektrische Leitungen schließen kurz und entzünden ein Feuer; Während der PVC-Mantel brennt, füllt sich schnell dicker Rauch im gesamten Raum. Statistiken zeigen, dass etwa 80 % der durch Brände verursachten Todesfälle durch Rauch und giftige Gase und nicht durch die Flammen selbst verursacht werden. Warum raucht PVC so gern? Herkömmliche Flammschutzmittel können Brände unterdrücken. Warum können sie also nicht den Rauch kontrollieren?

III. Warum erzeugt PVC Rauch? Verstehen auf molekularer Ebene

Um das Problem zu lösen, müssen wir zunächst seine Ursache verstehen. Lassen Sie uns eine „Grill“-Analogie verwenden, um den PVC-Verbrennungsprozess zu verstehen:

Schritt eins: Den „Außenmantel“ abwerfen

Die molekularen Seitenketten von PVC enthalten zahlreiche Chloratome. Beim Erhitzen lösen sich Chloratome zusammen mit Wasserstoff und bilden Chlorwasserstoffgas (die Quelle dieses stechenden Geruchs). Die verbleibenden Molekülketten verwandeln sich in lange Sequenzen von Doppelbindungen – in der Fachsprache als „konjugierte Polyene“ bezeichnet.

Schritt zwei: Cyclisierung „Clustering“

Diese langkettigen Doppelbindungsstrukturen sind instabil und beginnen zu „zyklisieren“, das heißt, die Moleküle verbinden sich miteinander und bilden aromatische Ringstrukturen (typischerweise stabile sechs- oder fünfgliedrige Ringe). Diese Strukturen sind sehr stabil und können unter Sauerstoffmangelbedingungen nicht vollständig verbrennen.

Schritt drei: Erzeugung von schwarzem Rauch

Diese aromatischen Ringstrukturen bündeln sich und verteilen sich in der Luft und werden zu dem dichten schwarzen Rauch, den wir beobachten. Sie gehen oft mit extremer Toxizität einher; Sobald sie eingeatmet werden, verursachen sie ein schnelles Versagen der menschlichen Organe und führen zum Tod.

Nachdem wir die Ursache der Rauchentwicklung verstanden haben, können wir den kritischen Punkt identifizieren: Wenn es uns gelingt, diese Zersetzungsprodukte im zweiten Schritt schnell zu vernetzen und zu verkohlen, anstatt sich als Rauch zu verteilen, wäre das Problem des schwarzen Rauchs weitgehend gelöst. Dies bringt uns zum heutigen Thema: Rauchunterdrückende Verkohlungsmittel, auch bekannt als „Rauchunterdrückende Schalenbildner“.

IV. Traditionelle Lösungen und Mechanismen zur Rauchunterdrückung

4.1 Molybdänverbindungen

In Molybdänverbindungen ist Molybdän sechswertig und seine Oxidationsstufe und Koordinationszahl ändern sich leicht. Durch Lewis-Säure-Katalyse fördern sie die Bildung einer Kohleschicht und reduzieren die Rauchentwicklung. Ihre Flammschutz- und Rauchunterdrückungsprozesse finden hauptsächlich in der kondensierten Phase und nicht in der Gasphase statt und erzeugen katalytische Effekte hauptsächlich durch die folgenden drei Arten von Reaktionen:

(1) Katalysieren der PVC-Dehydrochlorierung zur Bildung von trans-Polyenen über den Lewis-Säure-Mechanismus, wodurch verhindert wird, dass letztere zu aromatischen Ringverbindungen zyklisieren, die die Hauptbestandteile von Rauch sind;

(2) Isomerisieren von cis-Polyenen zu trans-Polyenen;

(3) Vernetzung von Polyenen durch Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktionen oder Diels-Alder-Cyclisierungsreaktionen.

Darüber hinaus können Molybdänverbindungen durch Metallbindung oder reduktive Kopplung von Kohlenstoff-Chlor-Bindungen vernetzte Polymerketten bilden und so den Beitrag brennbarer Stoffe zum Brand verringern.

4.2 Rauchunterdrückungsmechanismen von Organoeisenverbindungen und bestimmten Metalloxiden

Organoeisenverbindungen können Rauch sowohl in der Gasphase als auch in der kondensierten Phase unterdrücken, was in erster Linie von der Polymerstruktur abhängt, insbesondere davon, ob es Halogene enthält. Beispielsweise können Ferrocenverbindungen und ihre Derivate in PVC Reaktionen in der Gasphase auslösen, die hochaktive Radikale (z. B. OH-Radikale) bilden, die anschließend Rauchpartikel zu CO oxidieren.

Auch bestimmte Metalloxide können Ruß beseitigen, da sie bei der Verbrennung die Dissoziation von Wasserstoffmolekülen und Wassermolekülen in H-Radikale katalysieren können. Diese H-Radikale können dann mit Wasser zu OH-Radikalen reagieren, die durch die oben genannten Reaktionen Ruß in CO umwandeln können.

Darüber hinaus können bestimmte Metalloxide die Rußkeimbildung stören, indem sie ionisierte Keimbildungszentren und deren Wachstumsschritte passivieren. Bei diesem Prozess greifen thermisch ionisierte oder katalytisch ionisierte Metalle zunächst die Keimbildungszentren an, gefolgt von einer Passivierung der ionischen Zentren. Gleichzeitig können Metallverbindungen die Bildung von OH-Radikalen in den frühen Stadien der Verbrennung fördern. Folglich können Rußvorläufer – nämlich kondensierte mehrkernige aromatische Verbindungen – durch Oxidation reduziert oder eliminiert werden. Das heißt, bestimmte Metallverbindungen können die Bildung von Benzol und anderen aromatischen Verbindungen in der Gasphase unterdrücken.

4.3 Prinzip der Rauchunterdrückung durch reduktive Kopplung

Bestimmte Übergangsmetallzusätze können die PVC-Vernetzung durch den reduktiven Kopplungsmechanismus des Polymers fördern und dadurch Rauch unterdrücken. Bei festem PVC kann eine solche Vernetzung bei 200 °C erfolgen. Wenn das Kupplungsmittel Cu(0) ist, ist die reduktive Kupplung mit Allylchlorid am wahrscheinlichsten, obwohl andere parallele Kupplungsreaktionen nicht vollständig ausgeschlossen werden können. Die durch Allylkupplung gebildeten kürzeren Polyolefinkettensegmente können die Bildung von Benzol und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen während der PVC-Pyrolyse begrenzen.

V. Unser Ansatz: „Blockieren“ mit „Anleiten“ kombinieren

Wenn wir die PVC-Verbrennung mit einer „Schornsteinverbrennung“ vergleichen, besteht der traditionelle Ansatz darin, am Schornsteinauslass ein „Filtersieb“ anzubringen – was zu begrenzten Ergebnissen und hohen Kosten führt. Unser Konzept besteht darin, traditionelle Vorgehensweisen beizubehalten und gleichzeitig den Rauch am Fuß des Schornsteins „zu einer Wand zu verfestigen“, sodass überhaupt kein Rauch austritt. Diese „Wand am Schornsteinfuß“ ist – eine dichte Kohleschicht.

Durch ein synergistisches Verbundsystem ermöglichen wir, dass Rauchunterdrückungsmittel gleichzeitig sowohl in der Gasphase als auch in der kondensierten Phase wirken:

(1) Katalytische Vernetzung : Förderung der schnellen Vernetzung von Polyenstrukturen, die nach der PVC-Dehydrochlorierung gebildet werden, wodurch dreidimensionale Netzwerke entstehen;

(2) Förderung der Aromatisierung : Beschleunigung der Bildung und Stabilisierung aromatischer Strukturen, „Verankerung“ dieser in der Kohleschicht;

(3) Barrierebildung : Bildung einer dichten Kohleschicht auf der Materialoberfläche, Isolierung von Sauerstoff und Wärme und Verhinderung einer weiteren inneren Zersetzung.

Basierend auf den oben genannten Mechanismen haben wir die rauchunterdrückenden Verkohlungsmittel der FC-Serie entwickelt, die speziell für raucharme, halogenfreie Verbindungen, PVC-Kabelverbindungen, Gummi und Beschichtungen entwickelt wurden.

Ziel dieses Artikels ist es, die Grundprinzipien der PVC-Rauchunterdrückung durch Verkokungsbildung bekannt zu machen und entsprechende Lösungen vorzustellen. Wenn Sie Fragen zu bestimmten technischen Details oder Produktanwendungen haben, können Sie unten gerne einen Kommentar zur Diskussion hinterlassen!