Forschung zur Flammschutz- und Rauchunterdrückungstechnologie von Polyvinylchlorid (PVC)

Forschung zur Flammschutz- und Rauchunterdrückungstechnologie von Polyvinylchlorid (PVC)

Polyvinylchlorid (PVC)-Harz verfügt über viele hervorragende Eigenschaften, wie z. B. gute Verarbeitbarkeit, hervorragende Isolierung, niedrige Kosten, einfache Modifizierung, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, gute umfassende mechanische Eigenschaften und lange Lebensdauer. Es wird häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in der Industrie, in der Landwirtschaft, im Transportwesen, im Baugewerbe, in der Kommunikation und im Gesundheitswesen. PVC-Harz selbst ist stark flammhemmend und selbstverlöschend. PVC-Produkte ohne Weichmacher verfügen über eine gute Flammhemmung, mit einem Chlorgehalt von 56 % und einem Limiting Oxygen Index (LOI) von bis zu 50, was es zu einem hervorragenden flammhemmenden Material macht. Allerdings werden bei der Verarbeitung und Nutzung häufig große Mengen an Weichmachern eingearbeitet, um die Flexibilität und Haltbarkeit der Produkte zu verbessern. Leider verringert sich durch die Einarbeitung großer Mengen an Weichmachern die Flammhemmung erheblich, wodurch PVC seine selbstverlöschenden Eigenschaften verliert und zu einem brennbaren Material wird. Darüber hinaus erzeugen sowohl Hart- als auch Weich-PVC bei der Verbrennung große Mengen Rauch. Dieser dichte Rauch enthält zahlreiche giftige und schädliche Gase wie Kohlenmonoxid, Benzolverbindungen, Chlorwasserstoff usw., die zu Erstickungsgefahr führen und das umfassende Urteilsvermögen beeinträchtigen, was letztendlich die Fähigkeit beeinträchtigt, Fluchtwege zu erkennen und zu wählen. Dies führt zu Umweltverschmutzung und gefährdet das Leben von Menschen sowie die Sicherheit von Eigentum und stellt eine ernsthafte Brandgefahr dar. Statistiken zeigen, dass 82,5 % der Brandtoten auf Erstickung durch giftige Gase zurückzuführen sind, die bei der Verbrennung entstehen. Daher ist die Intensivierung der Forschung zur Flammhemmung und Rauchunterdrückung von PVC von erheblicher praktischer Bedeutung.

I. Raucherzeugungsmechanismus von Polyvinylchlorid
Zu den Hauptprodukten, die nach der Pyrolyse aromatischer Polymere entstehen, gehören HCl, Polyene, Benzol, aromatische Verbindungen, Olefine mit niedrigem Molekulargewicht und Alkane. Diese Produkte pyrolysieren weiter und erzeugen große Mengen schwarzen Rauchs. Bei der PVC-Verbrennung wird HCl abgespalten, wodurch konjugierte, doppelgebundene, ungesättigte Kohlenwasserstoffe entstehen. Durch die Spaltung der Kohlenstoffkette entstehen niedermolekulare Produkte und freie Radikale. Durch molekulare Umlagerung und Cyclisierung entstehen Benzolkerne, die weiter zu Harz mit einer kondensierten aromatischen Ringstruktur polymerisieren. Folglich erzeugt PVC bei der Verbrennung erheblichen schwarzen Rauch. Insbesondere wenn große Mengen Weichmacher in PVC eingearbeitet werden, nehmen die Weichmachermoleküle an chemischen Hochtemperaturreaktionen der Zwischenprodukte teil und erzeugen bei der Verbrennung große Mengen schwarzen Rauchs, was die Rauchausbeute beim Verbrennen von PVC deutlich erhöht.

II. Diskussion über den Rauchunterdrückungsmechanismus von PVC
Der Verbrennungsprozess von PVC-Produkten kann in drei Phasen unterteilt werden: Zersetzung des Produkts beim Erhitzen unter Bildung brennbarer Gase, Verbrennung dieser Gase in einer sauerstoffhaltigen Umgebung und die erzeugte Wärme, die die Verbrennung von geschmolzenem oder festem Material aufrechterhält. Daher kann eine Flammhemmung erreicht werden, indem eine oder mehrere dieser Stufen durch Mechanismen wie die Flammhemmung in der kondensierten Phase, die Flammhemmung in der Gasphase, die Unterbrechung des Wärmeaustauschs und die Flammhemmung intumeszierender Stoffe unterbrochen werden. Beim Flammschutz in der kondensierten Phase handelt es sich um Hemmstoffe, die die thermische Zersetzung in der festen Phase verzögern oder verhindern. Beim Flammschutz in der Gasphase handelt es sich um Hemmstoffe, die die Kettenverbrennungsreaktion in der Gasphase verzögern oder unterbrechen. Bei der Unterbrechung des Wärmeaustauschs werden Verzögerungsmittel eingesetzt, die einen Teil der bei der PVC-Verbrennung erzeugten Wärme abführen und so die vom Material absorbierte Wärme unter seine Zersetzungstemperatur reduzieren, wodurch die Entstehung brennbarer Gase verringert und eine Selbstverlöschung bewirkt wird. Intumeszierende Flammschutzmittel kombinieren sowohl kondensierte als auch gasförmige Mechanismen, wobei Reaktionen hauptsächlich in der kondensierten Phase ablaufen, aber auch die Gasphase betreffen.

III. Methoden zur Flammhemmung und Rauchunterdrückung von PVC

1. Verwendung flammhemmender Weichmacher anstelle herkömmlicher

Der Zusatz von üblicherweise für PVC verwendeten brennbaren Weichmachern wie Dioctylphthalat (DOP) verringert den Sauerstoffindex von PVC. Daher ist der teilweise oder vollständige Ersatz herkömmlicher brennbarer Weichmacher durch flammhemmende Weichmacher, die üblicherweise für Weich-PVC verwendet werden, wie z. B. Triarylphosphate und Alkyldiarylphosphate, eine Methode zur Verbesserung der Flammhemmung von Weich-PVC-Produkten. Um jedoch eine bessere Flammschutzwirkung zu erzielen, werden Phosphate im Allgemeinen in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln eingesetzt, wodurch synergistische Effekte für eine verbesserte Leistung genutzt werden.

2. Verwendung anorganischer Zusatzstoffe

Anorganische Zusatzstoffe gehören zu den am meisten erforschten und eingesetzten Flammschutzmitteln und Rauchunterdrückungsmitteln der letzten Jahre. Auf PVC werden hauptsächlich Übergangsmetalle, deren Oxide, Salze usw. wie Kupfer-, Molybdän-, Eisen-, Zinn-, Zink- und Bleiverbindungen angewendet.

Zu den wichtigsten Systemen gehören:

• Magnesium-Aluminium-Bor-System: Al(OH)₃ und Mg(OH)₂ sind die weltweit am häufigsten verwendeten Flammschutzmittel.

• Antimon-Wismut- und Silizium-Zinn-Systeme: Flammschutzmittel auf Antimonbasis sind traditionelle Optionen. Silizium-Zinn-Verbindungen werden häufig als Rauchunterdrückungsmittel für PVC in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln verwendet.

• Kupfer-Zink-System: Umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass Kupferverbindungen hochwirksame Rauchunterdrücker sind. Kupfer-Zink-Systemverbindungen bieten Vorteile wie hohe Flammschutzwirkung, geringe Toxizität und relativ niedrige Kosten, was dieses System zu einem der sich am schnellsten entwickelnden Flammschutzsysteme macht.

• Eisen-Kobalt-Nickel-System: Eisenverbindungen umfassen hauptsächlich Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₂O₃·H₂O, FeSO₄, Kobaltverbindungen umfassen Co(acac)₂ (Kobaltacetylacetonat), CoCO₃, Nickelverbindungen umfassen NiO, Ni(acac)₂, NiC₂O₄.

• Molybdän-Wolfram-Mangan-System: Molybdänverbindungen sind hauptsächlich anorganische Salze und Oxide, wobei MoO₃ (Molybdäntrioxid) im sechswertigen Zustand vorherrscht. Manganverbindungen umfassen MnCO₃, Mn₂O₃, MnSO₄.

• Titan-Zirkonium-Vanadium-System: TiO₂, Zr(acac)₄ (Zirkoniumacetylacetonat) und VO(acac)₂ (Vanadylacetylacetonat) zeigen gute Rauchunterdrückungseffekte.

3. Verwendung der Vernetzungstechnologie

Die Vernetzungstechnologie ist eine relativ neue Methode, die in den letzten Jahren zur Flammschutzausrüstung von PVC angewendet wurde. Methoden wie Bestrahlung, Zugabe von Metalloxiden oder Zugabe von Peroxiden können Polymere vernetzen. Der synergistische flammhemmende Effekt der Vernetzung auf Weich-PVC ist besonders praktisch nutzbar. Die Verbesserung der Flammschutzeffizienz anorganischer Systeme durch Vernetzungstechnologie erhält zunehmende Aufmerksamkeit und stellt einen neuen, potenziell wachstumsstarken Bereich in der Flammschutzforschung dar.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PVC bei der Verbrennung dazu neigt, große Mengen schwarzen Rauchs und giftiger Gase zu erzeugen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Durch den Einsatz von Methoden wie flammhemmenden Weichmachern, der Einführung anorganischer Additive wie Kupfer und Zink und einer Vernetzungsmodifizierung können die Flammschutz- und Rauchunterdrückungseigenschaften wirksam verbessert werden. Die Kombination mehrerer flammhemmender Mechanismen für synergistische Effekte ist der Schlüssel zur Verbesserung der PVC-Sicherheit und von großer Bedeutung für den Schutz des menschlichen Lebens und der Umwelt.

In diesem Bereich widmet sich Guangzhou Yinsu Flame Retardant kontinuierlich der Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Flammschutzlösungen. Ihr Produkt umfasst die T-Serie, Antimon-Komposit und ATO-Ersatz T30 , der 50–60 % ersetzen kann. Diese Innovationen bieten wertvolle Möglichkeiten zur Verbesserung der Flammhemmung und Rauchunterdrückung von PVC-Materialien und berücksichtigen gleichzeitig Kosten- und Umweltaspekte.