PHỤ GIA CHỐNG CHÁY CHO NHỰA (FLAME RETARDANT)

#NPCAdditives
#NPCFlameRetardant

QÚA TRÌNH CHÁY CỦA NHỰA
Để hiểu được quá trình làm trì hoãn và chống cháy cho nhựa, trước tiên ta phải hiểu được quá trình cháy và đặc thù trong quá trình cháy của nhựa.

Có thể thấy ba yếu tố chính trong quá trình cháy gồm:

1. Thành phần oxy, là thành phần đóng vai trò không thể thiếu trong phản ứng cháy. Oxy luôn có trong môi trường xung quanh.
2. Nhiệt độ là yếu tố giúp thúc đẩy phản ứng oxy hóa diễn ra nhanh hơn. Nhiệt độ cũng là yếu tố làm gãy mạch các hợp chất hữu cơ, tạo thành những hợp chất thấp phân tử dễ bắt cháy.
3. Vật thể cháy, là thành phần tham gia vào phản ứng oxy hóa. Tùy thuộc vào cấu trúc, mỗi vật thể có thể bắt cháy ở điểm nhiệt khác nhau. Cũng tùy thuộc vào cấu trúc hóa học của vật thể mà:

• Nhiệt lượng sinh ra cho quá trình cháy cao thấp khác nhau.
• Cấu trúc dễ hay không dễ phân hủy nhiệt để tạo ra những hợp chất dễ cháy.

Riêng đối với vật liệu nhựa thì có thể thấy đây là vật liệu có thành phần chính là hữu cơ, có những đặc điểm cháy:

• Nhiệt độ bắt cháy tương đối thấp.
• Nhiệt lượng cháy sinh ra cao
• Dễ bị phân hủy nhiệt, tạo ra các thành phần hữu cơ thấp phân tử có tính cháy cao.

NGUYÊN LÝ NGĂN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA CHẤT CHỐNG CHÁY.
Từ việc phân tính về quá trình cháy của vật liệu nhựa, người ta đã thấy có một số nguyên lý nhằm trì hoãn, ngăn chặn và dập tắt quá trình cháy của nhựa, như sau:

1. Thành phần có đặc tính cướp oxy trong quá trình cháy: Đây là thành phần rất nhạy phản ứng với oxy; đòi hỏi lượng oxy cao và ít sinh ra nhiệt lượng khi cháy.
2. Tạo thành lớp ngăn cản sự tiếp xúc oxy và cách nhiệt: Là thành phần sau khi cháy hình thành hợp chất có tính liên kết, tạo thành một lớp trơ với nhiệt bao quanh vật thể cháy (gọi là lớp xỉ trơ), nên giúp ngăn chặn việc tiếp xúc của oxy vào bên trong vật thể cháy.
3. Làm suy giảm nhiệt năng của quá trình phản ứng cháy: Đây chủ yếu là các hợp chất khi phân hủy nhiệt hình thành ra các hợp chất có tính thu nhiệt cao, thường thấy nhất là sinh ra hơi nước.
4. Dùng thành phần trơ để đẩy oxy khỏi vật cháy: Một số hợp chất khi cháy, sinh ra một số khí trơ lớn nên tạo ra xu hướng đẩy xa oxy của môi trường ra xa khỏi vật thể cháy.

PHÂN LOẠI CÁC HỢP CHẤT CHỐNG CHÁY CHO NHỰA
Để tăng khả năng chống cháy cho sản phẩm nhựa, người ta thường dùng một số hợp chất như:

1. Hợp chất chứa nhiều phân tử halogen (Cl, Br,…): Những hợp chất này ngăn quá trình cháy theo nguyên lý đầu tiên. Chúng có tác dụng làm suy yếu quá trình cháy, do cướp nhiều oxy và không sinh ra nhiều nhiệt lượng, nên làm suy yếu quy trình cháy. Hợp chất này đóng vai trò rất quan trong trong việc ngăn chạy quá trình cháy ngay điểm bắt đầu (ngay thời điểm nhiệt lượng xung quanh còn nhỏ, chưa đủ cao).
2. Hợp chất phosphorus: Hợp chất phosphorous khi cháy sẽ sinh ra acid phosphoric, là thành phần giúp hình thành lớp sỉ cứng trơ nhiệt xung quanh vật thể cháy, giúp ngăn cản việc tiếp xúc của oxy vào bên trong. Thành phần acid phophoric và lớp xỉ trơ còn ngăn cản quá trình phân hủy nhiệt và việc thoát các hợp chất hữu cơ hình thành do quá trình phân hủy nhiệt ra bên ngoài. Hợp chất phosphorus này thường được dùng cho các vật liệu xốp, có diện tích tiếp xúc oxy lớn, dễ cháy như: vật liệu xốp polyurethane (nệm); thảm; sản phẩm trang trí nội thất; sản phẩm cao su trong nhà;… Hợp chất này hoạt động chủ yếu theo nguyên lý chống cháy thứ 2.
3. Hợp chất Nitrogen: Hợp chất nitrogen này hoạt động chống cháy theo nhiều hướng. Chúng tham gia vào quá trình hình thành ra lớp xỉ trơ, giúp ngăn cản oxy (như nguyên lý thứ 2). Khi chúng cháy cũng sinh ra một lượng khí trơ (NO2) đẩy xa oxy ra khỏi vật thể cháy (như nguyên lý chống cháy thứ 4). Người ta nhận thấy rằng việc kết hợp những hợp chất Nitrogen và Phosphorus tạo thành hiệu ứng liên hợp giúp ngăn chặn quá trình cháy một các rất hiệu quả.
4. Hợp chất vô cơ: Đa phần hợp chất vô cơ có tính chịu nhiệt cao, sản phẩm sau cháy nếu có là những hợp chất rắn trơ, nên giúp hình thành bộ khung của lớp xỉ trơ (theo nguyên lý 1). Một số hợp chất có tính phân hủy nhiệt và sinh ra nước (như: hợp chất alluminium hydroxide, magnesium hydroxide,…) là một nhân tố làm suy giảm nhiệt độ của vật thể cháy (theo nguyên lý 3). Các hơi nước cũng tăng thể tích nhanh ở nhiệt độ cao, tạo ra việc đuổi oxy khỏi vật đang cháy (theo nguyên lý 4). Người ta nhận thấy rằng kết hợp giữa những hợp chất vô cơ trên với các hợp chất Phophorus, Nitrogen, Hologen sẽ tạo nên việc chống cháy tổng hợp và rất hiệu quả cho nhựa. Một nhược điểm cần phải quan tâm khi sử dụng những hợp chất vô cơ trên vào trong nhựa ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ lý của sản phẩm.

Tài liệu tham khảo: https://flameretardants.americanchemistry.com/Classes-of-Flame-Retardants/
Video tham khao: https://www.youtube.com/watch?v=5HVwWQDRZJs
Video tham khảo kiểm tra cháy theo UL94 (UL94 Vertical Flame Test Instructional): https://www.youtube.com/watch?v=owqmDFDM-bs