Nella scienza della sicurezza antincendio, la "soppressione del fumo" e il "ritardo di fiamma" sono ugualmente importanti ma hanno meccanismi diversi come obiettivi principali.Borato di zinco(prendendo come esempio il più comunemente usato 2ZnO·3B₂O₃·3.5H₂O) è ampiamente riconosciuto come un efficiente sinergizzante di soppressione del fumo. Le sue eccezionali prestazioni non sono dovute ad una singola azione, ma piuttosto il risultato di una sinergia chimico-fisica multistadio e multiscala che avviene simultaneamente nella fase condensata e nella fase gassosa e attraversa l'intero processo di combustione. Questo articolo analizzerà sistematicamente come controllare la generazione e il rilascio di fumo dalla sorgente costruendo una "rete tridimensionale di soppressione del fumo".
Innanzitutto va chiarito che il fumo è principalmente un aerosol composto da particelle di carbonio in sospensione (fuliggine) e goccioline organiche condensate generate dalla combustione incompleta dei polimeri. Pertanto, il nucleo della soppressione del fumo risiede in:
1. Promuovere la completa ossidazione e ridurre la generazione di particelle di carbonio.
2. Cattura e fissa le particelle di carbonio per impedirne la fuga.
3. Modificare il percorso della reazione di combustione per ridurre la materia organica volatile.
Il borato di zinco sta sviluppando il suo progetto sistematico di soppressione dei fumi attorno a questi tre punti.
L'effetto di soppressione del fumo del borato di zinco può essere chiaramente suddiviso in tre fasi continue guidate dalla temperatura, che possono essere verificate accuratamente attraverso test sulla densità del fumo utilizzando la spettroscopia infrarossa termogravimetrica (TGA-FTIR) e il calorimetro a cono.
In questo intervallo di temperature il borato di zinco rilascia la sua acqua cristallina:
·Meccanismo e funzione:
·Raffreddamento: l'evaporazione dell'acqua è un forte processo endotermico che raffredda efficacemente la matrice polimerica, rallenta la sua decomposizione termica e quindi riduce il tasso di generazione di gas combustibili e precursori di fumo.
·Diluizione fisica: il vapore acqueo rilasciato diluisce la concentrazione dei prodotti volatili della pirolisi e dell'ossigeno nella zona della fiamma, il che non solo aiuta a sopprimere la combustione ma promuove anche l'ossidazione in fase gassosa di alcuni componenti volatili condensabili, rendendoli più inclini a essere convertiti in CO₂ e H₂O anziché in fuliggine.
Questo è il passaggio più critico nella soppressione del fumo con borato di zinco. Dopo la disidratazione, il metaborato di zinco (2ZnO·3B₂O₃) si scioglie per formare una massa fusa vetrosa, viscosa e impermeabile, che copre la superficie del polimero e lo strato di carbonio in formazione.
·Meccanismo e funzione:
1. Barriera fisica e cattura: questo strato di vetro fuso è come un "filtro adesivo", che può catturare e incapsulare efficacemente particelle di carbonio (fuliggine) e macromolecole simili a catrame che fuoriescono dal corpo polimerico, bloccandole nella fase condensata e impedendo loro di entrare nella fase gassosa per formare fumo.
2. Ossidazione catalitica: i borati fusi sono eccellenti catalizzatori di ossidazione. Può catalizzare l'ossidazione profonda delle particelle di carbonio e dei frammenti organici da esso catturati all'interfaccia della fase gassosa condensata, convertendoli in CO ₂, "eliminando" direttamente alla fonte le potenziali sostanze fumogene.
3. Promozione della formazione di carbone: questo strato di vetro può stabilizzare e migliorare la struttura dello strato di carbone espanso. Uno strato di carbone più completo significa che vengono prodotti meno combustibili di pirolisi, riducendo indirettamente le emissioni di fumo.
A temperature più elevate il sistema forma infine uno strato residuo stabile, poroso ma robustoborato di zincoceramiche composite /carbonio/ossido di metallo.
·Meccanismo e funzione: questo strato residuo ha una stabilità termica estremamente elevata e può fungere da barriera duratura per l'isolamento termico, prevenendo l'ulteriore decomposizione dei materiali interni e la successiva generazione di fumo, garantendo l'efficacia a lungo termine della soppressione del fumo.
La capacità di soppressione del fumo del borato di zinco viene notevolmente migliorata quando combinato con altri ritardanti di fiamma, riflettendo il suo valore fondamentale come agente sinergico.
·Effetto sinergico con alogeni (come Cl nel PVC):
·Nei sistemi alogenati, il borato di zinco può reagire con gli alogenuri di idrogeno rilasciati (HCl) per produrre cloruro di zinco (ZnCl ₂) e ossicloruro di boro.
·ZnCl ₂ è un catalizzatore acido di Lewis più forte che può catalizzare le reazioni di reticolazione e aromatizzazione dei polimeri (come il PVC) in modo più vigoroso, promuovendo la rapida formazione di uno strato di carbone denso (cioè "carbone catalitico"), inibendo così la generazione di fuliggine in una fase precedente. Questo è un classico meccanismo di soppressione del fumo sinergico ternario "boro zinco alogeno".
·Effetto sinergico con idrossidi metallici (ATH/MDH):
·Esiste una buona correlazione tra la temperatura di decomposizione del borato di zinco e ATH/MDH. L'ATH/MDH si decompone e assorbe il calore, disidrata e sopprime il fumo a temperature più basse (~200-300℃), mentre il borato di zinco continua a funzionare a temperature più elevate (~300-500℃), formando un "relè di temperatura" ed espandendo l'intervallo di temperatura effettivo dell'intero effetto di soppressione del fumo.
1. Dimensioni e dispersione delle particelle: il borato di zinco ultra fine e uniformemente disperso può fornire un'area superficiale specifica di reazione più ampia, facendo sì che lo strato di vetro fuso si copra più rapidamente e densamente e abbia una maggiore efficienza di soppressione del fumo.
2. Stato di idratazione: la temperatura di decomposizione e il comportamento di fusione del triidrato, del monoidrato e del borato di zinco anidro sono diversi e la selezione corrispondente deve essere effettuata in base alla temperatura di decomposizione della matrice polimerica per ottimizzare la sinergia degli stadi.
3. Importo dell'aggiunta: esiste una finestra per l'importo dell'aggiunta ottimale. Troppo basso per formare uno strato di copertura continuo ed efficace; Valori eccessivi possono influenzare le proprietà meccaniche dei materiali e non migliorare più in modo significativo l’efficienza di abbattimento dei fumi.
Il test del calorimetro a cono è lo standard di riferimento per quantificare le prestazioni di soppressione del fumo. L'aggiunta di materiali polimerici di borato di zinco di alta qualità comporta solitamente le seguenti modifiche ai dati:
·L'area specifica di estinzione (SEA) e il tasso di generazione di fumo (SPR) sono diminuiti significativamente (fino al 30% -60%).
·Il rilascio totale di fumo (TSR) è diminuito significativamente.
·La microstruttura del carbonio residuo (osservazione SEM) mostra una struttura superficiale più densa, continua e vetrosa.
In sintesi, il meccanismo di soppressione del fumo diborato di zinconon è il semplice risultato di una singola reazione chimica, ma piuttosto un "sistema di difesa a più stadi" attentamente progettato:
·Stadio iniziale (diluizione endotermica): ritardare la produzione di precursori di fumo attraverso mezzi fisici e chimici.
·Stadio intermedio (catalisi del fuso): cattura e converte le particelle di fumo all'interfaccia attraverso l'intrappolamento fisico e la catalisi chimica.
·Stadio successivo (barriera stabile): Formando carbonio residuo stabile, impedisce la continua generazione di fumo.
Incarna perfettamente il ruolo di un "agente sinergico": può esercitare in modo indipendente un'eccellente funzione di soppressione del fumo in sistemi privi di alogeni e può anche migliorare la soppressione complessiva del fumo e l'efficienza ritardante di fiamma del sistema a un nuovo livello attraverso reazioni chimiche con altri componenti in sistemi di riempimento alogenati o inorganici.
Pertanto, per i progettisti di materiali che perseguono livelli di sicurezza antincendio più elevati (non solo non combustibili, ma anche a bassa emissione di fumo e bassa tossicità), il borato di zinco non è un'opzione, ma un'opzione necessaria basata su una prospettiva globale della chimica della combustione. Rappresenta un concetto di design avanzato dal ritardante di fiamma passivo all'attivo, pulito e resistente al fuoco.
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