1. مکانیسم بازدارنده شعله (عملکرد متورم‌شونده)
APP در درجه اول به عنوان یک بازدارنده شعله متورم‌شونده عمل می‌کند. این بدان معناست که وقتی در معرض حرارت قرار می‌گیرد، باعث می‌شود ماده متورم شده و یک لایه ضخیم، متخلخل و کربنی (زغال) روی سطح خود تشکیل دهد.این لایه زغال محافظ، کلید عملکرد بازدارنده شعله آن است که در سه مرحله اصلی رخ می‌دهد:
مرحله 1: منبع اسید (تجزیه)
با حرارت دادن (معمولاً بالای 250 درجه سانتی‌گراد)، APP تجزیه شده و اسید پلی‌فسفریک و گاز آمونیاک ضخیم، چند سلولی و سبک وزن تشکیل دهد.
(NH₄PO₃)ₙ → اسیدهای پلی‌فسفریک نوع H₄P₄O₁₂ + NH₃
- مرحله 2: کربنی‌شدن (تشکیل زغال)
اسید پلی‌فسفریک قوی و آب‌زدا با یک منبع کربن (اغلب یک ترکیب پلی‌هیدریک مانند پنتااریتریتول که بخشی از یک سیستم متورم‌شونده است، یا خود ماتریس پلیمری) واکنش می‌دهد. این واکنش، آب‌زدایی و کربنی‌شدن منبع کربن را کاتالیز می‌کند و زغال غنی از کربن را تشکیل می‌دهد. - مرحله 3: دمیدن (انبساط)
گاز آمونیاک آزاد شده در توده کربنی‌شونده چسبناک و مذاب به دام می‌افتد. این باعث می‌شود زغال کف کرده و به طور چشمگیری منبسط شود و یک لایه فوم کربنی ضخیم، چند سلولی و سبک وزن تشکیل دهد.
چگونه این لایه زغال کار می‌کند:
- اثر مانع: زغال به عنوان یک مانع فیزیکی عمل می‌کند و ماده زیرین را از گرمای شعله عایق می‌کند و از فرار گازهای قابل اشتعال جلوگیری می‌کند.
- جاذب گرما: فرآیندهای تجزیه و انبساط گرماگیر هستند، به این معنی که گرما را جذب می‌کنند که باعث خنک شدن بستر می‌شود.
- رقیق‌سازی: گاز آمونیاک غیرقابل اشتعال آزاد شده، اکسیژن و گازهای قابل اشتعال را در نزدیکی ناحیه احتراق رقیق می‌کند.
2. ویژگی‌های کلیدی
- عاری از هالوژن: APP حاوی کلر یا برم نیست و آن را به یک انتخاب سازگار با محیط زیست تبدیل می‌کند زیرا در هنگام احتراق دیوکسین‌ها و فوران‌های خورنده یا سمی تولید نمی‌کند.
- متورم‌شونده: عملکرد اصلی آن تشکیل یک لایه زغال محافظ و منبسط‌شونده است.
- راندمان بالا: در مقایسه با برخی دیگر از بازدارنده‌های شعله معدنی، در بارگذاری نسبتاً کم بسیار موثر است.
- پایداری حرارتی خوب: APP دارای دمای تجزیه بالایی است و آن را برای پلیمرهایی که در دماهای بالا فرآوری می‌شوند، مناسب می‌کند.
- حلالیت کم در آب: گریدهای APP با وزن مولکولی بالاتر (زنجیره بلندتر) حلالیت بسیار کمی در آب دارند که برای کاربردهایی که به دوام طولانی مدت و مقاومت در برابر شستشو نیاز دارند، بسیار مهم است.
- از نظر شیمیایی بی‌اثر: به طور کلی در داخل ماتریس پلیمری غیر واکنشی است و تأثیر بر خواص ذاتی پلیمر را به حداقل می‌رساند.
3. مزایا و معایب
مزایا:
- محافظت عالی در برابر آتش: زغال متورم‌شونده محافظت عالی را با ایجاد یک مانع عایق و پایدار فراهم می‌کند.
- دود کم و سمیت کم: APP به عنوان یک بازدارنده عاری از هالوژن، دود بسیار کمتری و گازهای سمی کمتری نسبت به جایگزین‌های مبتنی بر هالوژن تولید می‌کند که برای ایمنی زندگی حیاتی است.
- سازگاری با محیط زیست: ماهیت عاری از هالوژن آن با مقررات زیست محیطی جهانی (به عنوان مثال، RoHS، REACH) همسو است.
- تطبیق‌پذیری: در طیف گسترده‌ای از پلیمرها، از جمله پلی‌اولفین‌ها (پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن)، پوشش‌ها، رنگ‌ها، منسوجات و لاستیک موثر است.
- هم‌افزایی با سایر افزودنی‌ها: APP به طور هم‌افزا با سایر ترکیبات (مانند ملامین به عنوان عامل دمنده و پنتااریتریتول به عنوان منبع کربن) برای افزایش بازدارندگی شعله کار می‌کند.
معایب:
- حساسیت به هیدرولیز: APP می‌تواند به رطوبت حساس باشد، به خصوص گریدهای با وزن مولکولی کمتر. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض آب/رطوبت می‌تواند منجر به هیدرولیز شود و آن را به زنجیره‌های کوتاه‌تر (به عنوان مثال، ارتوفسفات‌ها) تجزیه کند که باعث کاهش اثربخشی آن می‌شود. این امر مستلزم استفاده از گریدهای پایدار و با وزن مولکولی بالا یا پوشش‌های محافظ برای کاربردهای بیرونی است.
- مشکلات سازگاری و فرآوری: بارگذاری زیاد APP گاهی اوقات می‌تواند بر خواص مکانیکی (به عنوان مثال، مقاومت در برابر ضربه) و رئولوژی فرآوری پلیمر تأثیر بگذارد.
- مهاجرت/شکوفایی: در برخی از سیستم‌های پلیمری، ذرات APP می‌توانند با گذشت زمان به سطح مهاجرت کنند و باعث پدیده‌ای به نام "شکوفایی" شوند که می‌تواند بر ظاهر سطح و رنگ‌پذیری تأثیر بگذارد.
- هزینه سیستم‌های متورم‌شونده: در حالی که خود APP مقرون به صرفه است، یک سیستم متورم‌شونده کامل (APP + منبع کربن + عامل دمنده) می‌تواند گران‌تر از پرکننده‌های ساده مانند تری‌هیدروکسید آلومینیوم (ATH) باشد.
- ماهیت اسیدی: اسید پلی‌فسفریک تولید شده در صورت عدم مدیریت صحیح می‌تواند برای تجهیزات فرآوری خورنده باشد.