Hóa chất chống cháy: Chúng là gì, chúng hoạt động như thế nào và phân loại

Khả năng chống cháy là gì

Khả năng chống cháy là khả năng của vật liệu chống lại sự bắt lửa, làm chậm sự lan truyền của lửa hoặc tự dập tắt khi nguồn lửa bị loại bỏ. Nó không phải là một đặc tính đơn lẻ mà là kết quả có thể đo lường được, phụ thuộc vào sự tương tác giữa tính chất hóa học của vật liệu, cấu trúc vật lý của nó, cường độ của nguồn nhiệt và lượng oxy sẵn có. A chất chống cháy vật liệu không có khả năng chống cháy - nó tốn thời gian quan trọng bằng cách trì hoãn thời điểm vật liệu đạt đến nhiệt độ bắt lửa, tạo ra khí dễ cháy hoặc duy trì quá trình đốt cháy một cách độc lập.

Khả năng chống cháy đạt được bằng cách tạo ra vật liệu cơ bản có hóa chất chống cháy vốn có - như trong sợi aramid hoặc một số loại nhựa nhiệt rắn - hoặc bằng cách đưa vào các hóa chất chống cháy làm gián đoạn quá trình đốt cháy. Cách tiếp cận thứ hai bao gồm phần lớn các sản phẩm chống cháy thương mại, áp dụng cho hàng dệt, nhựa, bọt, sản phẩm gỗ và lớp phủ trong các ngành xây dựng, vận tải, điện tử và hàng tiêu dùng.

Chất chống cháy là gì và nó được làm bằng gì

Chất chống cháy là một hợp chất hóa học hoặc hỗn hợp được thêm vào hoặc áp dụng cho vật liệu để giảm tính dễ cháy của nó. Hóa học hoạt động hoạt động thông qua một hoặc nhiều trong số bốn cơ chế cơ bản: làm mát bề mặt cháy, hình thành lớp than bảo vệ, giải phóng các chất nhặt gốc tự do làm gián đoạn phản ứng đốt cháy dây chuyền trong pha khí hoặc pha loãng khí dễ cháy bằng các sản phẩm phân hủy trơ.

Chất chống cháy được làm từ gì phụ thuộc hoàn toàn vào cơ chế chúng sử dụng. Các họ hóa chất chính bao gồm các hợp chất halogen hóa (gốc brom và clo), hợp chất phốt pho (cả hữu cơ và vô cơ), các hợp chất gốc nitơ, chất độn khoáng và sự kết hợp của chúng. Mỗi dòng có các đặc điểm hiệu suất, yêu cầu xử lý, hồ sơ chi phí và trạng thái quản lý riêng biệt để xác định nơi chúng được sử dụng và không được sử dụng.

Chất chống cháy halogen hóa

Chất chống cháy brôm và clo hoạt động trong pha khí bằng cách giải phóng các gốc halogen trong quá trình đốt cháy để loại bỏ các gốc tự do hydroxyl (OH·) và hydro (H·) có khả năng phản ứng cao duy trì phản ứng chuỗi ngọn lửa. Chất chống cháy brôm là một trong những chất hiệu quả nhất tính theo trọng lượng , đó là lý do tại sao họ thống trị ngành điện tử và dệt may trong nhiều thập kỷ. Các hợp chất brôm phổ biến bao gồm tetrabromobisphenol A (TBBPA, được sử dụng rộng rãi trong bảng mạch in), decabromodiphenyl ether (DecaBDE) và hexabromocyclododecane (HBCDD, trước đây được sử dụng trong vật liệu cách nhiệt polystyrene). Parafin clo hóa có chức năng tương tự trong PVC, cao su và chất phủ. Một số chất chống cháy halogen hóa cũ đã bị hạn chế hoặc loại bỏ theo quy định của Công ước Stockholm và EU REACH do lo ngại về độ bền, tích lũy sinh học và độc tính.

Chất chống cháy gốc phốt pho

Chất chống cháy phốt pho hoạt động chủ yếu ở pha ngưng tụ (rắn) bằng cách thúc đẩy sự hình thành than - một lớp cacbon dày đặc giúp cách nhiệt vật liệu bên dưới khỏi nhiệt và hạn chế giải phóng các chất bay hơi dễ cháy. Các photphat hữu cơ như triphenyl photphat (TPP), resorcinol bis(diphenyl photphat) (RDP) và bisphenol A bis(diphenyl photphat) (BDP) được sử dụng làm chất chống cháy phản ứng hoặc phụ gia trong nhựa kỹ thuật, bọt polyurethane và dệt may. Amoni polyphosphate (APP) là một hợp chất phốt pho vô cơ được sử dụng rộng rãi trong các lớp phủ chống cháy và xử lý gỗ - nó phân hủy khi đun nóng để giải phóng axit photphoric, xúc tác cho sự hình thành than và amoniac, làm loãng oxy. Các hệ thống dựa trên phốt pho hiện là phân khúc phát triển nhanh nhất của thị trường hóa chất chống cháy khi các nhà sản xuất công thức tìm kiếm các chất thay thế không chứa halogen.

Chất chống cháy gốc nitơ

Melamine và các dẫn xuất của nó (melamine cyanurat, melamine polyphosphate) hoạt động bằng cách giải phóng khí trơ giàu nitơ - chủ yếu là nitơ và amoniac - làm loãng nồng độ khí cháy dễ cháy và thay thế oxy khỏi vùng ngọn lửa. Chúng hiệu quả nhất khi kết hợp với các hợp chất phốt pho trong hệ thống phồng, trong đó thành phần nitơ hoạt động như một chất thổi để mở rộng lớp than thành bọt cách nhiệt mật độ thấp. Chất chống cháy gốc melamine được sử dụng trong các hệ thống nhựa polyurethane, nylon và nhựa epoxy.

Chất chống cháy khoáng

Nhôm hydroxit (ATH) và magie hydroxit (MDH) là hai hợp chất chống cháy được sản xuất nhiều nhất theo khối lượng trên toàn cầu. Chúng hoạt động bằng cách phân hủy thu nhiệt - hấp thụ nhiệt từ bề mặt cháy khi chúng giải phóng hơi nước, làm mát vật liệu và đồng thời làm loãng các khí dễ cháy. ATH phân hủy ở khoảng 180–200 °C, giải phóng khoảng 34% trọng lượng của nó dưới dạng nước. MDH phân hủy ở nhiệt độ cao hơn (300–320 °C), khiến nó phù hợp với các polyme kỹ thuật được xử lý trên ngưỡng phân hủy của ATH. Hạn chế chính của chất chống cháy khoáng chất là mức tải - khả năng chống cháy hiệu quả thường yêu cầu thêm 40–65% trọng lượng, điều này có thể làm giảm tính chất cơ học và tăng mật độ hợp chất. Chúng được sử dụng rộng rãi trong cách điện dây và cáp, sàn và màng lợp, nơi yêu cầu hiệu suất không có halogen, ít khói.

Danh sách hóa chất chống cháy: Các hợp chất chính theo ứng dụng

Chất chống cháy trong nệm: Công dụng và lý do

Yêu cầu về khả năng chống cháy của nệm tồn tại vì bọt polyurethane - vật liệu cốt lõi chủ yếu trong nệm hiện đại - rất dễ cháy. Bọt PU chưa được xử lý có thể phát huy tác dụng hoàn toàn trong vòng 3–5 phút sau khi đánh lửa, giải phóng nhiệt độ cao và khí đốt độc hại. Tại Hoa Kỳ, 16 CFR Phần 1633 (tiêu chuẩn ngọn lửa mở) và 16 CFR Phần 1632 (tiêu chuẩn đánh lửa thuốc lá) yêu cầu tất cả nệm được bán phải đáp ứng ngưỡng hiệu suất cháy đã xác định. Các quy định tương tự được áp dụng ở EU (EN 597), Vương quốc Anh (BS 7177) và các thị trường khác.

Các hóa chất chống cháy được sử dụng trong nệm đã phát triển đáng kể trong hai thập kỷ qua nhằm đáp ứng các mối lo ngại về sức khỏe và môi trường. Các phương pháp chính hiện đang được sử dụng bao gồm:

• Vải rào cản chống cháy: Cách tiếp cận phổ biến nhất hiện nay ở thị trường Mỹ. Lớp rào cản dệt hoặc không dệt - thường được làm từ các loại sợi chống cháy vốn có như hỗn hợp modacrylic, sợi thủy tinh, silica hoặc sợi carbon - được đặt giữa lớp lót và lõi xốp. Rào chắn than và cách nhiệt thay vì dựa vào các chất phụ gia hóa học có trong bọt. Cách tiếp cận này tránh thêm các hóa chất phản ứng vào bọt trong khi vẫn đáp ứng tiêu chuẩn ngọn lửa mở.
• Phụ gia tạo bọt gốc phốt pho: Chất chống cháy organophosphate phản ứng hoặc phụ gia được tích hợp vào công thức bọt polyurethane trong quá trình sản xuất. Chúng thúc đẩy sự hình thành than ở bề mặt bọt, làm chậm tốc độ giải phóng nhiệt. Tris(1-chloro-2-propyl) phosphate (TCPP) và dimethyl methylphosphonate (DMMP) đã được sử dụng rộng rãi trong lịch sử, mặc dù một số este photphat đã phải đối mặt với sự giám sát theo quy định và sự điều chỉnh tự nguyện của các nhà sản xuất bọt lớn.
• Phương pháp điều trị bằng axit boric: Được áp dụng để phủ lên vải hoặc các lớp vải dưới dạng phun hoặc lớp phủ. Axit boric là một hợp chất vô cơ có độc tính thấp, hoạt động như một chất kích thích than nhẹ và chất tẩy gốc tự do. Đây là một trong những phương pháp chống cháy cũ và đơn giản hơn, đôi khi được sử dụng kết hợp với các hệ thống khác.
• Viscose/rayon với silica: Một số hệ thống rào chắn sử dụng sợi viscose giàu silica tạo thành than giống gốm khi tiếp xúc với ngọn lửa, mang lại khả năng cách nhiệt mà không cần hóa chất halogen hóa hoặc phốt phát.

Nệm Không Có Chất Chống Cháy: Những Điều Cần Biết

Tại Hoa Kỳ, về mặt pháp lý, không thể bán một tấm nệm không đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất chống cháy 16 CFR Phần 1633 - nhưng quy định chỉ rõ kết quả hoạt động chứ không phải một hóa chất cụ thể. Một tấm nệm được mô tả là "không có hóa chất chống cháy" thường đạt được sự tuân thủ thông qua lớp vải chống cháy vốn có thay vì các chất phụ gia hóa học trong bọt. Len là vật liệu rào cản tự nhiên được trích dẫn phổ biến nhất được sử dụng cho mục đích này - hàm lượng nitơ và độ ẩm cao mang lại cho nó khả năng tạo than vốn có, đáp ứng tiêu chuẩn ngọn lửa mở mà không cần thêm hóa chất. Nệm hữu cơ được chứng nhận và nệm cao su thiên nhiên thường sử dụng các lớp vải len làm chiến lược quản lý cháy chính, cho phép họ tiếp thị sản phẩm không chứa hóa chất chống cháy tổng hợp trong khi vẫn tuân thủ.

Chất chống cháy tự nhiên: Các lựa chọn dựa trên thực vật và khoáng sản

Sự quan tâm đến các giải pháp thay thế chất chống cháy tự nhiên đã tăng lên đáng kể do các hạn chế đối với halogen hóa tổng hợp và một số hợp chất phốt phát đã được thắt chặt. Một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên mang lại khả năng chống cháy đáng kể, mặc dù hầu hết đều yêu cầu mức tải cao hơn hoặc phương pháp ứng dụng phức tạp hơn so với các vật liệu thay thế tổng hợp để đạt được hiệu suất tương đương.

• Len: Hàm lượng nitơ tự nhiên cao (khoảng 16% trọng lượng) và độ ẩm (lấy lại lên tới 18%). Len bốc cháy ở nhiệt độ tương đối cao (570–600 °C so với 255 °C đối với bông), tạo thành than thay vì tan chảy và tự dập tắt một cách đáng tin cậy. Nó được sử dụng rộng rãi trong vải bọc, tấm chắn nệm và nội thất máy bay như một vật liệu chống cháy tự nhiên.
• Axit boric và borax: Muối khoáng tự nhiên được khai thác từ các mỏ evaporit. Borax (natri tetraborate) và axit boric là một trong những chất chống cháy được sử dụng lâu nhất trong vật liệu xenlulo - gỗ, bông, giấy - hoạt động thông qua việc thúc đẩy than và giải phóng nước thu nhiệt. Chúng được coi là những lựa chọn có độc tính thấp và được chấp thuận sử dụng trong các sản phẩm hữu cơ được chứng nhận ở một số khu vực pháp lý.
• Axit Phytic: Một hợp chất tự nhiên giàu phốt pho có nguồn gốc từ hạt thực vật. Mối quan tâm nghiên cứu về axit phytic như một chất chống cháy dựa trên sinh học cho hàng dệt bông đã tăng lên trong thập kỷ qua - hàm lượng phốt pho cao của nó thúc đẩy sự hình thành than thông qua cơ chế tương tự như chất chống cháy photphat tổng hợp mà không cần hóa học tổng hợp. Việc áp dụng thương mại vẫn còn hạn chế do chi phí và độ phức tạp trong xử lý.
• Khoáng silic và đất sét: Khoáng chất vô cơ tự nhiên được sử dụng làm chất độn chống cháy trong cao su, chất phủ và vật liệu tổng hợp. Đất sét cao lanh và silicon dioxide tạo thành các lớp rào cản ổn định nhiệt khi tiếp xúc với nhiệt. Đất sét nano (montmorillonite) đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể như một chất phụ gia nanocompozit chống cháy vì ngay cả tải trọng nhỏ (2–5% tính theo trọng lượng) cũng có thể làm giảm đáng kể tốc độ giải phóng nhiệt cực đại trong ma trận polymer.
• Casein (protein sữa): Được sử dụng trước đây trong các phương pháp xử lý chất chống cháy trong dệt may và hiện đang được nghiên cứu làm lớp phủ sinh học cho bông và polyester. Casein chứa phốt pho và nitơ, cả hai đều góp phần làm chậm cháy thông qua cơ chế than pha ngưng tụ.

Sản xuất hợp chất chống cháy: Các quy trình sản xuất chính

Các phương pháp sản xuất hợp chất chống cháy khác nhau đáng kể tùy theo nhóm hóa chất, phản ánh tính đa dạng của thành phần hóa học cơ bản của chúng.

Chất chống cháy photphat hữu cơ được tạo ra bằng cách phản ứng phốt pho oxyclorua (POCl₃) hoặc phốt pho pentoxit (P₂O₅) với rượu, phenol hoặc polyol trong điều kiện nhiệt độ và chất xúc tác được kiểm soát. Phản ứng phải được quản lý cẩn thận để kiểm soát mức độ este hóa và trọng lượng phân tử, từ đó xác định độ ổn định nhiệt, độ nhớt và khả năng tương thích với nền polyme mục tiêu. Các lớp phản ứng - liên kết cộng hóa trị vào khung polymer - yêu cầu hóa học nhóm chức năng bổ sung, thường liên quan đến các vị trí phản ứng epoxit hoặc hydroxyl.

Nhôm hydroxit (ATH) được sản xuất công nghiệp như một sản phẩm phụ của quy trình sản xuất alumina của Bayer - nhôm hòa tan từ quặng bauxite được kết tủa dưới dạng gibbsite (Al(OH)₃) bằng cách làm lạnh và gieo hạt vào dung dịch natri aluminat. Sự phân bố kích thước hạt và xử lý bề mặt (thường bằng các chất liên kết silane hoặc axit stearic) được kiểm soát trong quá trình kết tủa và xử lý sau để tối ưu hóa sự phân tán trong ma trận polymer và giảm thiểu sự tăng độ nhớt trong quá trình trộn.

Ammonium polyphosphate (APP) được tổng hợp bằng cách cho axit photphoric hoặc axit polyphosphoric phản ứng với urê hoặc amoniac trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát. Mức độ trùng hợp - độ dài chuỗi của khung polyphosphate - là một thông số kỹ thuật quan trọng của sản phẩm: mức độ trùng hợp cao hơn (APP giai đoạn II, mức độ trùng hợp >1.000) tạo ra độ hòa tan trong nước thấp hơn, điều này cần thiết cho các ứng dụng ngoài trời hoặc môi trường ẩm ướt, nơi việc lọc sẽ làm giảm hiệu quả chống cháy lâu dài.

Chất chống cháy brôm được tạo ra bằng phương pháp bromua thơm điện di - phản ứng chất nền thơm với brom phân tử (Br₂) với sự có mặt của chất xúc tác axit Lewis như sắt (III) bromua, dưới nhiệt độ được kiểm soát để đạt được mức độ brom hóa mục tiêu. Hàm lượng brom cao (thường là 50–85% trọng lượng trong các sản phẩm thương mại) đòi hỏi phải xử lý cẩn thận nguyên liệu brom và các chất trung gian được brom hóa trong suốt quá trình sản xuất.

Bối cảnh thị trường toàn cầu: Thị trường hóa chất chống cháy được định giá khoảng 9,5 tỷ USD vào năm 2023 và được dự đoán sẽ tăng trưởng ở mức 5–6% hàng năm cho đến năm 2030, nhờ mở rộng hoạt động xây dựng ở châu Á, các quy định an toàn cháy nổ nghiêm ngặt hơn trong thiết bị điện tử và giao thông cũng như sự chuyển đổi đang diễn ra từ hệ thống halogen sang hệ thống phốt pho và khoáng sản.