Idrossido di alluminio(ATH, Al(OH)₃), essendo il ritardante di fiamma inorganico privo di alogeni più utilizzato ed ecologico al mondo, presenta cinque vantaggi principali: ritardante di fiamma, soppressione del fumo, riempimento, non tossicità e basso costo. È ampiamente utilizzato in campi quali resina epossidica, resina insatura, elastomero in PVC, materiale per cavi EVA, materiale composito in gomma, materiale di tenuta elettronica e materiale decorativo per l'edilizia. Sullo sfondo delle normative ambientali globali sempre più rigide e della tendenza dominante dei ritardanti di fiamma privi di alogeni, l'idrossido di alluminio è diventato la soluzione preferita per i sistemi ritardanti di fiamma di materiali di fascia alta grazie alle sue caratteristiche di gas non volatile, non corrosivo e non tossico.
L'effetto ritardante di fiamma più importante e fondamentale dell'idrossido di alluminio è l'effetto endotermico della decomposizione termica.
Quando il materiale polimerico riempito viene riscaldato nell'intervallo compreso tra 200°C e 320°C, l'idrossido di alluminio subisce una reazione di disidratazione completa, rilasciando acqua cristallina e convertendosi in allumina attivata. L'equazione di reazione è la seguente:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Questo processo ha due principali caratteristiche ritardanti di fiamma:
1. Forte capacità di assorbimento del calore: ogni grammo di decomposizione dell'idrossido di alluminio può assorbire 1050-1200 J di calore, che può assorbire rapidamente il calore di combustione sulla superficie e all'interno del materiale, forzando la temperatura del substrato a essere inferiore alla temperatura critica della decomposizione termica, terminando o ritardando così la combustione.
2. Soglia di temperatura accurata: la temperatura di decomposizione corrisponde perfettamente alla temperatura di degradazione termica della maggior parte dei materiali termoplastici e delle resine termoindurenti e il meccanismo ritardante di fiamma può essere attivato immediatamente quando il materiale entra nell'intervallo di temperature pericolose, ottenendo una protezione tempestiva.
Comprensione semplice: l'idrossido di alluminio è come un "sistema di raffreddamento" all'interno del materiale, assorbe una grande quantità di calore al momento dell'accensione, rendendo impossibile al materiale mantenere la temperatura di combustione e sopprimendo la continuazione della combustione dalla radice.
Durante il processo di disidratazione e decomposizione,idrossido di alluminiorilascia una grande quantità di vapore acqueo ad alta temperatura, che è la sua seconda funzione ritardante di fiamma chiave.
Il vapore acqueo forma una barriera gassosa ad alta densità sulla superficie del materiale, ottenendo un triplice effetto ignifugo:
1. Diluizione dei gas combustibili: i gas combustibili come monossido di carbonio, alcani e alcheni prodotti dalla decomposizione termica dei materiali vengono notevolmente diluiti dal vapore acqueo, riducendo la loro concentrazione al di sotto del limite di combustione.
2. Isolamento dell'ossigeno: il vapore acqueo occupa lo spazio dell'interfaccia di combustione, riducendo la diffusione dell'ossigeno esterno nel materiale e creando un ambiente debolmente ossidante.
3. Ridurre la temperatura della fase gassosa: la gassificazione del vapore acqueo assorbe ulteriormente il calore, riduce la temperatura della fiamma e indebolisce la radiazione termica sostenuta della fiamma sul substrato.
A differenza dei ritardanti di fiamma alogenati, il vapore acqueo rilasciato dall'idrossido di alluminio non è tossico, non è corrosivo e non è cancerogeno ed è pienamente conforme agli standard ambientali globali come EU REACH, RoHS e US UL, rendendolo un rappresentante fondamentale dei sistemi ritardanti di fiamma ecologici.
Dopo la disidratazione dell'idrossido di alluminio, uno strato di allumina attivata (Al₂O₃) bianca, densa, ad alto punto di fusione e non infiammabile verrà generato in situ sulla superficie del materiale.
L'ossido di alluminio ha un punto di fusione fino a 2050 ℃ e possiede una forte stabilità termica e resistenza strutturale, fungendo da tripla barriera fisica:
1. Isolare il trasferimento di calore: impedire alle fiamme esterne di irradiare calore al substrato interno e impedire un'ulteriore decomposizione termica del materiale.
2. Bloccare il gocciolamento delle goccioline: fissare il polimero fuso per prevenire la combustione secondaria o la propagazione del fuoco causata dal gocciolamento delle goccioline.
3. Bloccare i gas combustibili: sopprimere la fuga di gas combustibili interni e interrompere la fornitura di sostanze in fiamme.
Questo strato di guscio di allumina non brucia, non fa fumo né si rompe e costituisce una base fisica importante per ottenere un ritardo di fiamma duraturo dell'idrossido di alluminio.
Negli incendi reali, il fumo denso e i gas tossici sono i principali fattori che causano danni. Il vantaggio principale dell'idrossido di alluminio rispetto ad altri ritardanti di fiamma è il ritardo di fiamma sincrono e la forte soppressione del fumo.
Il suo meccanismo di soppressione del fumo si riflette in tre aspetti:
1. Soppressione a bassa temperatura della generazione di fumo e polvere: assorbimento di calore e raffreddamento in anticipo per ridurre il fumo nero, il catrame e le particelle tossiche generate dalla rottura dei materiali ad alta temperatura.
2. Adsorbimento fisico delle particelle di fumo mediante strato di allumina: la struttura superficiale porosa può catturare le particelle di fumo e ridurre la concentrazione di fumo.
3. Nessun inquinamento secondario: non produce fumi altamente tossici come alogenuri di idrogeno e diossine e soddisfa i severi requisiti di densità del fumo in settori quali l'edilizia, i trasporti, i materiali per interni e il trasporto ferroviario.
In applicazioni quali resina epossidica, materiali compositi SMC/BMC, fili e cavi, l'aggiunta di idrossido di alluminio può ridurre la densità del fumo (DS) del materiale di oltre il 60%, migliorando significativamente la sicurezza antincendio.
Idrossido di alluminionon agisce da solo e può formare un effetto di carbonizzazione sinergico con la matrice resinosa nei sistemi ad alto riempimento
1. Lo strato di allumina favorisce la rapida formazione di uno strato di carbonio stabile sulla superficie del substrato;
2. L'assorbimento del calore e la disidratazione accelerano la densificazione dello strato di carbonio, migliorandone la capacità antiossidante;
3. Ridurre il tempo di combustione, rendere il materiale autoestinguente e smettere immediatamente di bruciare dopo aver lasciato la fiamma.
Questo effetto sinergico consente all'idrossido di alluminio di mostrare un'efficienza ritardante di fiamma di gran lunga superiore a quella dei normali riempitivi inorganici in resine epossidiche altamente caricate, poliesteri insaturi ed elastomeri.
Tenendo conto degli effetti di cui sopra, l'idrossido di alluminio non raggiunge il ritardo di fiamma attraverso un singolo meccanismo, ma piuttosto attraverso il verificarsi simultaneo di quattro funzioni: assorbimento e raffreddamento del calore, diluizione in fase gassosa, isolamento in fase solida, soppressione del fumo e fissazione del carbonio solido, formando una rete ritardante di fiamma tridimensionale completa:
1. Assorbimento del calore: raffreddamento forzato per evitare la pirolisi continua dei materiali;
2. Rilascio di acqua: ossigeno diluito e gas combustibili;
3. Formazione del guscio: formazione di uno strato isolante di allumina;
4. Soppressione del fumo: riduce il fumo tossico e migliora la sicurezza.
Questo è anche il motivo fondamentale per cui l’idrossido di alluminio può diventare il materiale principale nel campo globale dei ritardanti di fiamma privi di alogeni.
