بازدارنده شعله کامپوزیت برای PA: نحوه انتخاب سیستم مناسب برای قطعات نایلونی

چرا یک ضد شعله منفرد به ندرت برای PA کار می کند؟

پلی آمید (PA6 و PA66) یکی از پرکاربردترین پلاستیک‌های مهندسی در اتصالات الکتریکی، قطعات زیر کاپوت خودرو و محفظه‌های صنعتی است، اما اشتعال پذیری ذاتی آن باعث می‌شود که عملیات بازدارنده شعله برای بیشتر کاربردهای فنی اجباری شود. بازدارنده اشتعال کامپوزیت برای PA به سیستمی اطلاق می شود که دو یا چند جزء بازدارنده شعله را ترکیب می کند - به جای تکیه بر یک افزودنی واحد - برای دستیابی به مقاومت در برابر شعله، عملکرد مکانیکی و پردازش پذیری که یک قطعه پلاستیکی در واقع به آن نیاز دارد.

دلیل اینکه یک افزودنی به ندرت کار می کند به نحوه سوختن PA و نحوه پردازش آن برمی گردد. PA نقطه ذوب نسبتاً بالا (220-260 درجه سانتیگراد) و ویسکوزیته مذاب پایینی دارد، بنابراین در هنگام سوختن تمایل به چکه کردن دارد، که می تواند شعله را گسترش دهد نه اینکه خود خاموش شود. یک بازدارنده شعله منفرد ممکن است شعله را در فاز گاز سرکوب کند اما کاری برای جلوگیری از چکه کردن انجام ندهد، یا ممکن است سطح را زغال اخته کند اما به بارگذاری بالایی نیاز داشته باشد که قطعه شکننده شود. ترکیب مکانیسم های مکمل این است که چگونه فرمول نویسان هر دو مشکل را به طور همزمان بدون قربانی کردن قدرت یا سختی زیاد حل می کنند.

مکانیسم های اصلی در پشت سیستم های کامپوزیت بازدارنده شعله

کامپوزیت بازدارنده شعله برای PA فرمولاسیون ها معمولاً از طریق دو یا سه مکانیسم در کنار هم کار می کنند. درک این مکانیسم ها به توضیح اینکه چرا ترکیبات افزودنی خاصی نسبت به سایرین انتخاب می شوند کمک می کند.

مهار شعله فاز گاز

بازدارنده های شعله هالوژنه، معمولاً ترکیبات برم دار که با تری اکسید آنتیموان به عنوان یک هم افزایی جفت می شوند، رادیکال های هالوژن را هنگام گرم شدن آزاد می کنند. این رادیکال‌ها واکنش زنجیره‌ای رادیکال آزاد را که احتراق را در فاز گاز حفظ می‌کند، قطع می‌کنند. این مکانیسم سریع عمل می‌کند و در دستیابی به رتبه‌بندی UL94 V-0 در بارهای نسبتاً کم بسیار مؤثر است، به همین دلیل است که سیستم‌های برم دار در کانکتورها و سوئیچ‌هایی که مقاومت در برابر شعله دیواره نازک حیاتی است، رایج باقی می‌مانند.

ذغال سنگ فاز متراکم

بازدارنده های شعله بر پایه فسفر، از جمله فسفر قرمز، پلی فسفات آمونیوم و فسفینات های مختلف، عمدتاً در فاز متراکم عمل می کنند. هنگامی که گرم می شوند، آنها تشکیل یک لایه زغال سنگ محافظ روی سطح پلیمر را افزایش می دهند. این ذغال به عنوان یک مانع فیزیکی عمل می‌کند که انتقال حرارت را کند می‌کند و دسترسی اکسیژن به مواد زیرین را محدود می‌کند و چکه‌های مذاب را در این فرآیند کاهش می‌دهد.

گسترش شدید

سیستم های تشدید کننده، که معمولاً در اطراف مشتقات ملامین (ملامین سیانورات، ملامین پلی فسفات) همراه با یک منبع فسفر ساخته می شوند، هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند به یک لایه زغال سنگ فوم تبدیل می شوند. این لایه منبسط شده مواد زیر خود را عایق می کند و به ویژه در جلوگیری از چکه شدن موثر است، که آن را در فرمول های بدون هالوژن برای محفظه های الکتریکی و الکترونیکی محبوب می کند.

ترکیبات متداول کامپوزیت بازدارنده شعله برای PA

در عمل، بیشتر بازدارنده‌های اشتعال کامپوزیت تجاری برای محصولات PA در تعداد انگشت شماری از ترکیبات تثبیت شده قرار می‌گیرند. هر کدام مشخصات مشخصی از عملکرد شعله، ضربه مکانیکی و هزینه دارند.

• تری اکسید آنتیموان بازدارنده شعله بروم: راندمان بالا، درجه شعله خوب در بارگذاری کم، اما در برخی مناطق به دلیل مقررات زیست محیطی در مورد برخی از ترکیبات هالوژنه محدود شده است.
• هیدروکسید فلز فسفر قرمز (هیدروکسید آلومینیوم یا هیدروکسید منیزیم): مقرون به صرفه و بدون هالوژن است، اما فسفر قرمز می تواند باعث تغییر رنگ جزئی شود و برای جلوگیری از حساسیت به رطوبت نیاز به ریزپوشانی دقیق دارد.
• ملامین سیانورات فسفینات (مانند دی اتیل فسفینات آلومینیوم): یک سیستم تشدید کننده بدون هالوژن که به طور گسترده استفاده می شود، به ویژه در PA66 تقویت شده با الیاف شیشه برای اتصالات الکتریکی موثر است.
• آمونیوم پلی فسفات پنتا اریتریتول ملامین: سه گانه گرم کننده کلاسیک که یک ذغال منبسط شده قوی ایجاد می کند، اغلب در مواردی که عملکرد ضد چکه در اولویت است استفاده می شود.
• نانورس هم افزایی نیتروژن-فسفر یا هیدروکسید دولایه لایه ای: رویکردی نوظهور که بارگیری کل بازدارنده شعله را با استفاده از نانوپرکننده ها برای تقویت لایه زغال سنگ کاهش می دهد.

متعادل کردن مقاومت شعله با خواص مکانیکی

بزرگ‌ترین چالش عملی با هر بازدارنده اشتعال مرکب برای PA این است که بارگیری بازدارنده شعله و عملکرد مکانیکی اغلب در جهت مخالف حرکت می‌کنند. بارگیری بالای مواد بازدارنده شعله مبتنی بر مواد معدنی مانند هیدروکسید آلومینیوم می تواند ایمنی آتش را بهبود بخشد اما مقاومت کششی، مقاومت در برابر ضربه و جریان را در طول قالب گیری تزریقی کاهش دهد. به همین دلیل است که فرمول سازها به ندرت اجزای بازدارنده شعله را به طور مستقل اضافه می کنند - آنها نسبت بین اجزا را برای رسیدن به درجه شعله هدف با کمترین بارگذاری کل ممکن بهینه می کنند.

تقویت الیاف شیشه لایه دیگری از پیچیدگی را اضافه می کند. الیاف شیشه می توانند به عنوان فتیله ای عمل کنند که به گسترش شعله در امتداد سطح الیاف کمک می کند، که گاهی اوقات "اثر کندلیک" نامیده می شود. این بدان معنی است که PA66 تقویت شده با شیشه اغلب به نسبت ضد شعله متفاوتی نسبت به PA6 تقویت نشده نیاز دارد، معمولاً با نسبت بیشتری از اجزای تشدید کننده یا زغال زا برای مقابله با فتیله فیبر.

ملاحظات پردازش هنگام استفاده از بازدارنده های شعله مرکب

افزودن یک بازدارنده اشتعال مرکب برای PA چیزی بیش از رفتار آتش سوزی را تغییر می دهد - این بر نحوه پردازش مواد در یک خط قالب گیری تزریقی تأثیر می گذارد. معمولاً چندین تنظیم عملی لازم است.

کنترل رطوبت

PA رطوبت سنجی است و بسیاری از افزودنی های مقاوم در برابر شعله، به ویژه مشتقات ملامین و هیدروکسیدهای فلزی، به رطوبت باقیمانده در طی فرآیند مذاب حساس هستند. خشک کردن ناکافی می تواند باعث هیدرولیز پلی آمید شود یا باعث شود که بازدارنده شعله از گاز خارج شود و منجر به ایجاد تاول های سطحی یا لکه های بر روی قطعات قالب گیری شود.

سایش پیچ و بشکه

بازدارنده های شعله بر پایه مواد معدنی مانند هیدروکسید آلومینیوم و هیدروکسید منیزیم در بارگذاری های بالا ساینده هستند که باعث تسریع سایش پیچ ها و بشکه ها در دوره های طولانی تولید می شود. پردازنده‌ها اغلب به اجزای دو فلزی یا پیچی سخت شده نیاز دارند که به طور مداوم از ترکیبات PA مقاوم در برابر شعله پر شده استفاده می‌کنند.

پایداری حرارتی در طی فرآیند مذاب

برخی از افزودنی های مبتنی بر فسفر در نزدیکی دمای معمولی پردازش PA شروع به تجزیه می کنند. فرمولاتورها باید بررسی کنند که دمای شروع تجزیه بازدارنده شعله به راحتی بالای پنجره پردازش قرار می گیرد، در غیر این صورت ذغال شدن زودهنگام در داخل بشکه می تواند باعث تغییر رنگ یا رسوب پیچ شود.

انتخاب سیستم مناسب برای برنامه شما

انتخاب یک ضد شعله کامپوزیت برای PA باید با الزامات مصرف نهایی شروع شود تا خود افزودنی. عوامل زیر معمولاً باعث تصمیم گیری می شوند.

• محیط نظارتی: محدودیت‌های RoHS و REACH بسیاری از کاربردهای الکترونیکی و خودرو را به سمت سیستم‌های بدون هالوژن سوق می‌دهند، حتی اگر گزینه‌های هالوژنه ارزان‌تر و کارآمدتر باشند.
• ضخامت دیواره قطعه: اجزای دیوار نازک (زیر 1 میلی متر) معمولاً به سیستم های کارآمدتری مانند ترکیبات فسفینات- ملامین نیاز دارند تا بدون بارگذاری بیش از حد به V-0 برسند.
• الزامات رنگ: سیستم‌های فسفر قرمز تمایل به ایجاد رنگ صورتی یا قهوه‌ای دارند که می‌تواند آنها را برای محفظه‌های رنگ روشن یا شفاف رد کند.
• عملکرد الکتریکی: برخی از بازدارنده های شعله، به ویژه ترکیبات فسفر خاص، می توانند بر شاخص ردیابی مقایسه ای (CTI) و خواص دی الکتریک تأثیر بگذارند، که برای اتصال دهنده های دارای جریان زنده مهم است.
• پیری حرارتی طولانی مدت: کاربردهایی مانند قطعات خودروهای زیر کاپوت به مواد بازدارنده شعله ای نیاز دارند که پس از قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا پایدار می مانند و به نفع سیستم های فسفینات یا تشدید کننده از نظر حرارتی مقاوم تر هستند.

تست و بررسی عملکرد بازدارنده شعله

هنگامی که یک ضد شعله کامپوزیت برای فرمولاسیون PA ساخته شد، قبل از استفاده در یک محصول واقعی باید در برابر استانداردهای شناخته شده اعتبار سنجی شود. متداول‌ترین آزمایش‌ها شامل تست‌های سوزاندن عمودی UL94 برای درجه‌بندی‌های V-0، V-1، و V-2، آزمایش شاخص اکسیژن محدود (LOI) برای اندازه‌گیری حداقل غلظت اکسیژن مورد نیاز برای حفظ احتراق، و آزمایش سیم درخشنده (IEC 60695-2-11) است که مخصوصاً برای اجزای محفظه‌های الکتریکی که ممکن است در تماس باشند، مرتبط است.

شایان ذکر است که فرمولاسیونی که از UL94 V-0 در ضخامت نمونه در مقیاس آزمایشگاهی عبور می‌کند، امتیاز یکسانی را در ضخامت دیواره تولید واقعی قطعه تمام‌شده تضمین نمی‌کند. عملکرد بازدارنده شعله بسیار وابسته به ضخامت است، بنابراین اعتبارسنجی باید همیشه روی قطعاتی که با هندسه تولید واقعی قالب‌گیری شده‌اند، انجام شود، نه فقط میله‌های تست استاندارد.