Spomaľovače horenia

Spomaľovače horenia sú chemické prísady, ktoré zvyšujú ohňovzdornosť príslušného materiálu

Tieto látky sa pridávajú do rôznych typov hotových výrobkov – plastov, textílií, náterov atď. Hlavnou úlohou spomaľovačov horenia je zabrániť alebo spomaliť proces horenia pomocou rôznych fyzikálnych a chemických metód.

Spomaľovače horenia sa používajú v mnohých odvetviach vrátane stavebníctva a nábytku, farieb a lakov, lepidiel, plastov a dopravy.

Chémia spaľovania polymérov a úloha spomaľovačov horenia

Polymérne materiály, ako sú polyuretány, sú samy osebe zvyčajne horľavé, pretože pri zahrievaní sa polymérny reťazec rozkladá a uvoľňujú sa prchavé produkty, ktoré podporujú reakcie spaľovania v plynnej fáze. Proces spaľovania polyméru prebieha v nasledujúcich fázach: tepelný rozklad reťazca, emisia horľavých plynov, vznietenie a šírenie plameňa.

Spomaľovače horenia narúšajú tieto štádiá prostredníctvom rôznych mechanizmov, čo vedie k oneskorenému vznieteniu, zníženej intenzite horenia a zníženým emisiám tepla a dymu.

Tieto mechanizmy možno zhruba rozdeliť na:

• pôsobenie v tuhej fáze – podpora tvorby uhlíkovej vrstvy (uhlia), ktorá tepelne izoluje povrch materiálu a obmedzuje prístup kyslíka z prostredia,
• pôsobenie v plynnej fáze – inhibícia kľúčových radikálových reakcií v plameni uvoľňovaním zlúčenín, ktoré riedia palivo alebo zastavujú reťazové reakcie spaľovania,
• endoenergetické chladiace mechanizmy – absorbovanie tepla počas rozkladu spomaľovača horenia, čo znižuje celkovú teplotu spaľovacej zóny.

Halogénové spomaľovače horenia

Niektoré spomaľovače horenia obsahujú atómy chlóru alebo brómu, ktoré v plynnej fáze interferujú s reaktívnymi radikálmi v plameni, napr. H•, OH•, čo spomaľuje horiacu reakciu a znižuje rýchlosť uvoľňovania tepla. Avšak kvôli potenciálnym zdravotným a environmentálnym problémom, najmä kvôli vedľajším produktom spaľovania halogénov, sa ich použitie čoraz viac obmedzuje a nahrádza sa roztokmi bez obsahu halogénov.

Bezhalogénové spomaľovače horenia

Bezhalogénové spomaľovače horenia neobsahujú atómy chlóru ani brómu. Do tejto skupiny patria najmä:

• zlúčeniny fosforu (fosfáty, fosfináty, fosfonáty),
• zlúčeniny dusíka,
• anorganické minerálne prísady (napr. hydroxidy kovov).

Fosforové spomaľovače horenia

Pri zvýšených teplotách dochádza k zmenám v štruktúre atómov fosforu, ktoré vedú k tvorbe kyseliny fosforečnej a polyfosforečnej, ktoré pôsobia ako katalyzátory dehydratácie materiálu. Tento proces podporuje tvorbu zuhoľnatenej vrstvy (uhlia) na povrchu horiaceho materiálu, ktorá pôsobí ako bariéra obmedzujúca prístup kyslíka, prenos tepla a difúziu prchavých produktov rozkladu do zóny plameňa. Tento mechanizmus prebieha hlavne v pevnej fáze a jeho účinnosť závisí od schopnosti fosforu stabilizovať uhlíkovú štruktúru vytvorením tepelne stabilných štruktúr fosfor-uhlík.

Jedným z bežne používaných spomaľovačov horenia je tris(2-chlór-1-metyletyl)fosfát, tiež známy ako TCPP (Roflam P), ktorý vďaka prítomnosti fosforu a chlóru pôsobí v pevnej aj plynnej fáze, čím inhibuje šírenie plameňa a obmedzuje rýchlosť horenia.

Dusíkaté spomaľovače horenia

Ide o skupinu chemických zlúčenín, ktorých štruktúry obsahujú významné množstvo atómov dusíka, často vo forme triazínu alebo amínov. Vysoké koncentrácie dusíka podporujú uvoľňovanie nehorľavých plynov, napr. N₂, NH₃, počas rozkladu pri vysokých teplotách, čo vedie k zriedeniu zmesi horľavých plynov a kyslíka v zóne spaľovania, čím sa znižuje intenzita procesu spaľovania a oneskoruje sa vznietenie. Vďaka tomuto mechanizmu pôsobia dusíkaté spomaľovače horenia v plynnej fáze a podporujú mechanizmy vedúce k tvorbe ochrannej uhlíkovej vrstvy.

Medzi príklady patrí melamín a jeho deriváty, kyanurát melamínu a polyfosfát melamínu, ktoré sa často používajú v polyuretánoch, polyamidoch a iných polyméroch ako bezhalogénové prísady.

Anorganické minerálne prísady ako spomaľovače horenia

Anorganické minerálne prísady sú skupinou látok, ktoré ovplyvňujú horľavosť materiálov prostredníctvom fyzikálnych a chemických procesov prebiehajúcich pri vysokých teplotách bez účasti atómov uhlíka charakteristických pre organické zlúčeniny. Najčastejšie sa používajú hydroxidy kovov, ako je hydroxid hlinitý a hydroxid horečnatý, ktoré sa pri zahrievaní endotermicky rozkladajú za vzniku vody.

Medzi ďalšie príklady patria anorganické fosfáty, oxidy a minerálne plnivá, ktoré môžu pôsobiť ako absorbéry tepla alebo pomáhať vytvárať ochrannú vrstvu na povrchu materiálu.

Modifikácie a zavedenie spomaľovačov horenia do polyuretánových materiálov

Spomaľovače horenia sa môžu do polyuretánov začleňovať rôznymi spôsobmi – ako prísady, t. j. fyzikálne prímesi v polymérnej hmote, tak aj ako reaktívne zložky, ktoré sa zapracovávajú do polymérneho reťazca počas syntézy. Reaktívne spomaľovače horenia môžu zabezpečiť trvalejšiu integráciu s matricou, čím sa znižuje migrácia a zlepšuje dlhodobá stabilita výkonu.

Technický význam v aplikáciách

V polyuretánových aplikáciách sú spomaľovače horenia kľúčové pri výrobe pien, elastomérov, náterov a konštrukčných komponentov, kde predpisy a technické normy vyžadujú dodržiavanie noriem požiarnej bezpečnosti, napr. triedy požiarnej odolnosti. Dobre zvolený spomaľovač horenia môže výrazne predĺžiť čas vznietenia, znížiť rýchlosť šírenia plameňa a obmedziť emisie tepla a dymu, čo je rozhodujúce pre bezpečnosť materiálov v stavebníctve, doprave a elektronických aplikáciách.