Bao nhiêu phụ gia nên được sử dụng trong công thức chống cháy?

Khi thiết kế hệ thống chống cháy, câu hỏi phổ biến nhất mà các nhà pha chế đặt ra là: “Tôi nên sử dụng bao nhiêu phụ gia?”
Quá ít và bạn có nguy cơ thất bại trong các bài kiểm tra chống cháy; quá nhiều và bạn sẽ làm giảm hiệu suất cơ học hoặc thẩm mỹ.

Trong hầu hết các công thức chống cháy, phụ gia được sử dụng ở mức 5–30% theo trọng lượng, tùy thuộc vào loại polymer nền, loại chất chống cháy và mục tiêu hiệu suất — cân bằng giữa an toàn, chi phí và độ ổn định trong quá trình chế biến.

Việc tìm ra liều lượng phù hợp không phải là trò chơi đoán mò. Đó là hiểu cách phụ gia tương tác với vật liệu nền của bạn — về mặt hóa học và nhiệt.

---

1. Tại sao Tải phụ gia lại quan trọng trong hệ thống chống cháy

Hiệu suất chống cháy phụ thuộc vào ba cơ chế:

1. Ức chế trong pha khí (ngăn chặn phản ứng cháy),
2. Hình thành than (tạo ra hàng rào bảo vệ), và
3. Che chắn nhiệt (hấp thụ hoặc phân tán nhiệt).

Lượng phụ gia quyết định cơ chế nào chiếm ưu thế.
Quá ít, và bạn có thể không tạo ra đủ than bảo vệ hoặc khí trơ; quá nhiều, và bạn có thể làm yếu đi các đặc tính cơ học hoặc gây ra vấn đề trong quá trình chế biến.

Ví dụ:

• phân ester phosphate 10% có thể cải thiện khả năng chống cháy trong lớp phủ.
• nhôm hydroxide 25% thường cần thiết cho hệ thống polymer không halogen hóa.
• Chất tăng cường 3–8% (ví dụ: borat kẽm hoặc melamine) có thể nâng cao hiệu quả tổng thể.

Liều lượng phù hợp đảm bảo sản phẩm của bạn vượt qua các bài kiểm tra chính như UL-94, Chỉ số giới hạn oxy (LOI), và Kiểm tra độ cháy bằng dây sáng.

---

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến liều lượng phụ gia

Không có công thức chung — lượng lý tưởng phụ thuộc vào loại polymer, hóa học của phụ gia và chứng nhận mong muốn. Hãy phân tích chi tiết.

a. Loại Polymer nền

Mỗi loại polymer phản ứng khác nhau dưới nhiệt:

• Polypropylene (PP): Cần 20–25% este phosphate hoặc 30–40% ATH (trihydrat nhôm).
• Polyethylene (PE): Thường sử dụng 15–30% phụ gia để cải thiện LOI một cách thỏa đáng.
• Xốp polyurethane (PU): Chỉ cần 5–15% phụ gia dạng lỏng dựa trên este phosphate.
• Nhựa epoxy hoặc polyester: Phụ gia 8–12% cung cấp khả năng tạo than đủ.

b. Loại chống cháy

Loại phụ gia	Liều lượng điển hình	Chức năng chính
Este phosphat (TPP, IPPP, TBP)	5–15%	Dạng khí & tạo than
Polyphosphate Melamine (MPP)	10–25%	Tương tác nitơ & ức chế khói
Hydroxit nhôm (ATH)	30–60%	Phân hủy nội nhiệt & pha loãng
Borat kẽm	3–10%	Chất tăng cường & ổn định than
Hệ thống phồng rộp	20–30% (kết hợp)	Lớp bảo vệ mở rộng

c. Mục tiêu chống cháy

• Cho UL-94 V-2, phụ gia ~10% có thể đủ.
• Cho Phân loại V-0, cần tải trọng cao hơn (20–30%).
• Cho bọt chữa cháy tự dập tắt, hệ thống phản ứng hoặc cộng hưởng có thể đạt V-0 ở liều lượng thấp hơn.

d. Yêu cầu về xử lý và cơ học

Tải trọng chất độn cao có thể:

• Tăng độ nhớt chảy của chảy nóng và giảm dòng chảy.
• Giảm độ bền kéo và độ giãn dài.
• Ảnh hưởng đến độ trong suốt hoặc màu sắc.

Do đó, chiến lược lý tưởng là để đạt được khả năng chống cháy tối đa với phụ gia tối thiểu.

---

3. Este Photphat — Phụ gia Hiệu Quả Cao với Liều Lượng Thấp hơn

Este photphat là một trong những chất chống cháy hiệu quả nhất vì chúng hoạt động cả trong pha ngưng tụ và pha khí.

Mức sử dụng điển hình:

• 5–10% trong lớp phủ và keo dán.
• 8–15% trong PVC mềm và foam PU.
• 10–20% trong nhựa kỹ thuật.

Cách hoạt động của chúng:

1. Trong pha khí, este photphat phân hủy để giải phóng các gốc photpho giúp dập tắt lửa.
2. Trong pha ngưng tụ, chúng thúc đẩy hình thành than cháy — tạo ra một hàng rào chống lại nhiệt và oxy.

Kết quả: Kháng lửa cao hơn ở mức độ tải thấp hơn so với hydroxide kim loại hoặc hệ halogen.

Các este photphat phổ biến được sử dụng:

• Triphenyl phosphat (TPP) — nhựa cứng và lớp phủ.
• Tricresyl phosphat (TCP) — dầu bôi trơn và dầu thủy lực.
• Phosphat isopropylphenyl (IPPP) — nhựa dẻo.
• Tris(2-ethylhexyl) phosphate (TEHP) — ứng dụng trong foam và cáp.

---

4. Sử dụng các hỗn hợp cộng hưởng để giảm tải phụ gia

Thay vì dựa vào một phụ gia duy nhất, việc kết hợp các chất cộng hưởng có thể giảm tổng tải trong khi vẫn duy trì hiệu suất.

Các hệ thống ví dụ:

• Este Photphat + Melamine: Thúc đẩy hình thành than cháy + cộng hưởng nitơ để giảm khói và độc tố.
• Este Photphat + Borat Kẽm: Cải thiện độ ổn định nhiệt và độ bám dính của than cháy.
• Este Photphat + Polyphosphate Ammonium (APP): Hệ thống phồng hiệu quả với tổng tải chỉ từ 15–20%.

Lợi ích: Các hệ thống lai này đáp ứng tiêu chuẩn UL-94 V-0 hoặc LOI ≥ 28 ở liều lượng tổng thấp hơn, cải thiện các đặc tính cơ học và thẩm mỹ.

---

5. Hướng dẫn liều lượng theo ứng dụng

Lĩnh vực Ứng dụng	Khuyến nghị tải phụ gia	Loại phụ gia điển hình
Hỗn hợp dây PVC	10–20%	Este phosphat + hydroxide kim loại
Xốp polyurethane	5–15%	Este phosphat dạng lỏng (TCPP, TEHP)
Nhựa epoxy	8–12%	Triphenyl phosphate + hợp chất tăng cường
Lớp phủ dệt may	10–25%	Chất hoạt động bề mặt este phosphat axit
Nhựa kỹ thuật (PA, PC, ABS)	15–25%	IPPP hoặc phosphat polyme
Lớp phủ và keo dán	5–10%	Chất làm dẻo từ este phosphat
Hỗn hợp cao su	10–20%	Hệ thống este phosphat + ATH

Đây là các khuyến nghị cơ bản — hiệu suất thực tế nên được xác nhận thông qua Kiểm tra LOI, máy đo nhiệt cone, và thử nghiệm đốt thẳng đứng.

---

Đi sâu hơn: Tại sao nhiều phụ gia hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn

Nhiều người cho rằng gấp đôi phụ gia thì khả năng chống cháy cũng gấp đôi — điều đó không đúng.

Việc nạp quá mức có thể:

• Gây rối loạn cấu trúc tinh thể của polymer.
• Gây giòn hoặc bong tróc lớp.
• Gây ra hiện tượng nổi bề mặt hoặc di chuyển của lớp phủ.
• Tăng chi phí xử lý mà không mang lại lợi ích rõ ràng.

Trong hệ thống este phosphate, vượt quá 20–25% thường dẫn đến lợi ích giảm dần, trừ khi các chất tăng cường hiệu quả được tối ưu hóa.

---

Đi sâu hơn: Tinh chỉnh công thức thông qua thử nghiệm

Hiệu suất chống cháy phụ thuộc vào tương tác vật liệu, phân tán, và thời điểm phản ứng.

Các tham số chính cần kiểm tra:

1. Phân tích thermogravimetric (TGA): Giám sát hành vi phân hủy.
2. Nhiệt phân tích quang phổ vi phân (DSC): Đo lượng nhiệt hấp thụ và điểm chuyển đổi.
3. Kiểm tra bằng máy đo nhiệt cone: Định lượng tốc độ phát nhiệt (HRR) và mật độ khói.
4. Kiểm tra cơ học: Đảm bảo các giá trị kéo dài và giãn dài phù hợp với yêu cầu thiết kế.

Bằng cách so sánh các điểm dữ liệu này, các nhà pha chế có thể xác định chính xác nồng độ phụ gia tối ưu — thường là điểm giao nhau nơi khả năng chống cháy đạt đỉnh nhưng tổn thất cơ học vẫn ở mức tối thiểu.

---

Đi sâu hơn: Các phương pháp bền vững để chống cháy

Xu hướng sản xuất hiện đại ưu tiên chất chống cháy không halogen, độc tính thấp, trong đó este phosphat đóng vai trò chính.

Các chiến lược tối ưu hóa bền vững bao gồm:

• Este phosphat sinh học: Lấy từ cồn tái tạo và axit hữu cơ.
• Giảm tải chất độn: Sử dụng este phosphat phản ứng hóa học liên kết với polymer.
• Thiết kế cộng hưởng: Kết hợp hệ thống phospho, nito và boron để đạt hiệu suất cân bằng.

Những đổi mới này không chỉ giảm tải phụ gia mà còn nâng cao an toàn môi trường và quá trình sản xuất.

---

Những suy nghĩ cuối cùng

Lượng phụ gia phù hợp trong công thức chống cháy phụ thuộc vào hệ thống polymer của bạn, mục tiêu hiệu suất và giới hạn xử lý.
Trong khi kiềm kim loại có thể yêu cầu tải lên tới 50%, este phosphate thường đạt được kết quả tương tự với chỉ 10–20% — cung cấp sự cân bằng tuyệt vời giữa an toàn cháy và đặc tính vật lý.

Liều lượng tối ưu không phải là về số lượng tối đa — mà là về hiệu quả tối đa.
Một hỗn hợp este photphat được thiết kế cẩn thận có thể làm cho công thức của bạn an toàn hơn, mạnh mẽ hơn và bền vững hơn.

---

Liên hệ với Sunzo Foundation Engineering
Đối với phụ gia chống cháy ester photphat tùy chỉnh và hướng dẫn công thức:
📧 Email: dohollchemical@gmail.com
📱 WhatsApp: +86 139 0301 4781