Nhôm hydroxit(ATH, Al(OH)₃), là chất chống cháy vô cơ không chứa halogen được sử dụng rộng rãi và thân thiện với môi trường nhất trên thế giới, có 5 ưu điểm cốt lõi là chống cháy, khử khói, làm đầy, không độc hại và chi phí thấp. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nhựa epoxy, nhựa không bão hòa, chất đàn hồi PVC, vật liệu cáp EVA, vật liệu composite cao su, vật liệu niêm phong điện tử và vật liệu trang trí xây dựng. Trong bối cảnh các quy định môi trường toàn cầu ngày càng nghiêm ngặt và xu hướng chủ đạo của chất chống cháy không chứa halogen, nhôm hydroxit đã trở thành giải pháp ưa thích cho các hệ thống chống cháy vật liệu cao cấp do không bay hơi, không ăn mòn và không độc hại đặc tính khí.
Tác dụng chống cháy cốt lõi và cơ bản nhất của nhôm hydroxit là hiệu ứng thu nhiệt của quá trình phân hủy nhiệt.
Khi vật liệu polyme chứa đầy được nung nóng đến khoảng 200°C - 320°C, nhôm hydroxit trải qua phản ứng khử nước hoàn toàn, giải phóng nước tinh thể và chuyển thành alumina hoạt hóa. Phương trình phản ứng như sau:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Quá trình này có hai đặc tính chống cháy chính:
1. Khả năng hấp thụ nhiệt mạnh: Mỗi gram phân hủy nhôm hydroxit có thể hấp thụ 1050-1200 J nhiệt, có thể hấp thụ nhanh nhiệt lượng đốt cháy trên bề mặt và bên trong vật liệu, buộc nhiệt độ cơ chất thấp hơn nhiệt độ tới hạn của quá trình phân hủy nhiệt, từ đó chấm dứt hoặc trì hoãn quá trình đốt cháy.
2. Ngưỡng nhiệt độ chính xác: Nhiệt độ phân hủy rất phù hợp với nhiệt độ phân hủy nhiệt của hầu hết các vật liệu nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, đồng thời cơ chế chống cháy có thể được kích hoạt ngay lập tức khi vật liệu đi vào phạm vi nhiệt độ nguy hiểm, đạt được khả năng bảo vệ sớm.
Hiểu đơn giản: Nhôm hydroxit giống như một “hệ thống làm mát” bên trong vật liệu, hấp thụ một lượng nhiệt lớn tại thời điểm bắt lửa, khiến vật liệu không thể duy trì nhiệt độ cháy và ngăn chặn quá trình tiếp tục cháy từ gốc.
Trong quá trình khử nước và phân hủy,nhôm hydroxitgiải phóng một lượng lớn hơi nước ở nhiệt độ cao, đây là chức năng chống cháy quan trọng thứ hai của nó.
Hơi nước tạo thành một rào cản khí mật độ cao trên bề mặt vật liệu, đạt được hiệu quả chống cháy gấp ba lần:
1. Pha loãng các khí dễ cháy: Các khí dễ cháy như carbon monoxide, ankan và anken tạo ra do quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu bị pha loãng rất nhiều bởi hơi nước, làm giảm nồng độ của chúng xuống dưới giới hạn cháy.
2. Cô lập oxy: Hơi nước chiếm không gian giao diện đốt cháy, làm giảm sự khuếch tán của oxy bên ngoài vào vật liệu và tạo ra môi trường oxy hóa yếu.
3. Giảm nhiệt độ pha khí: Quá trình khí hóa hơi nước tiếp tục hấp thụ nhiệt, giảm nhiệt độ ngọn lửa và làm suy yếu bức xạ nhiệt duy trì của ngọn lửa trên bề mặt.
Không giống như chất chống cháy halogen hóa, hơi nước do nhôm hydroxit thoát ra không độc hại, không ăn mòn và không gây ung thư, tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn môi trường toàn cầu như EU REACH, RoHS và US UL, khiến nó trở thành đại diện cốt lõi của hệ thống chống cháy xanh.
Sau khi khử nước nhôm hydroxit, một lớp alumina kích hoạt màu trắng, đậm đặc, cao và không cháy (Al₂O₃) sẽ được tạo ra tại chỗ trên bề mặt vật liệu.
Nhôm oxit có nhiệt độ nóng chảy lên tới 2050oC và có độ ổn định nhiệt và độ bền kết cấu cao, đóng vai trò là rào cản vật lý ba:
1. Cách ly truyền nhiệt: chặn ngọn lửa bên ngoài tỏa nhiệt đến chất nền bên trong và ngăn chặn sự phân hủy nhiệt hơn nữa của vật liệu.
2. Chặn giọt nước nhỏ giọt: Cố định polyme nóng chảy để ngăn chặn sự cháy thứ cấp hoặc cháy lan do giọt nước nhỏ giọt.
3. Khóa khí dễ cháy: ngăn chặn sự thoát ra của khí dễ cháy bên trong và cắt nguồn cung cấp chất cháy.
Lớp vỏ alumina này sẽ không cháy, bốc khói hoặc vỡ và là cơ sở vật lý quan trọng để đạt được khả năng chống cháy lâu dài của nhôm hydroxit.
Trong các vụ tai nạn hỏa hoạn thực tế, khói dày và khí độc là tác nhân chính gây ra tác hại. Ưu điểm cốt lõi của nhôm hydroxit so với các chất chống cháy khác là khả năng chống cháy đồng bộ và khử khói mạnh.
Cơ chế khử khói của nó được thể hiện ở ba khía cạnh:
1. Ngăn chặn sự phát sinh khói và bụi ở nhiệt độ thấp: hấp thụ nhiệt và làm mát trước để giảm khói đen, hắc ín và các hạt độc hại tạo ra do nứt vật liệu ở nhiệt độ cao.
2. Hấp phụ vật lý của các hạt khói bằng lớp alumina: Cấu trúc bề mặt xốp có thể thu giữ các hạt khói và làm giảm nồng độ khói.
3. Không gây ô nhiễm thứ cấp: không tạo ra khói có độc tính cao như hydro halogenua và điôxin, đồng thời đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về mật độ khói trong các lĩnh vực như xây dựng, giao thông vận tải, vật liệu trong nhà và vận chuyển đường sắt.
Trong các ứng dụng như nhựa epoxy, vật liệu composite SMC/BMC, dây và cáp, việc bổ sung nhôm hydroxit có thể làm giảm hơn 60% mật độ khói (DS) của vật liệu, cải thiện đáng kể độ an toàn cháy nổ.
Nhôm hydroxitkhông hoạt động đơn lẻ và có thể tạo thành hiệu ứng cacbon hóa tổng hợp với nền nhựa trong các hệ thống làm đầy cao
1. Lớp alumina thúc đẩy sự hình thành nhanh chóng của lớp carbon ổn định trên bề mặt chất nền;
2. Hấp thụ nhiệt và khử nước làm tăng tốc độ cô đặc của lớp carbon, tăng cường khả năng chống oxy hóa của nó;
3. Giảm thời gian cháy, làm cho vật liệu tự dập tắt và ngừng cháy ngay sau khi rời khỏi ngọn lửa.
Tác dụng hiệp đồng này cho phép nhôm hydroxit thể hiện hiệu quả chống cháy vượt xa so với các chất độn vô cơ thông thường trong nhựa epoxy có hàm lượng cao, polyester không bão hòa và chất đàn hồi.
Có tính đến các tác động trên, nhôm hydroxit không đạt được khả năng chống cháy thông qua một cơ chế duy nhất mà thông qua sự xuất hiện đồng thời của bốn chức năng: hấp thụ nhiệt và làm mát, pha loãng pha khí, cách ly pha rắn, khử khói và cố định carbon rắn, tạo thành một mạng lưới chống cháy ba chiều hoàn chỉnh:
1. Hấp thụ nhiệt: làm mát cưỡng bức để ngăn chặn quá trình nhiệt phân vật liệu liên tục;
2. Thoát nước: Pha loãng oxy và khí dễ cháy;
3. Tạo vỏ: tạo thành lớp cách nhiệt alumina;
4. Khử khói: Giảm khói độc và tăng cường an toàn.
Đây cũng là lý do cơ bản tại sao nhôm hydroxit có thể trở thành vật liệu chủ đạo trong lĩnh vực chống cháy không chứa halogen toàn cầu.
