Estudio teórico sobre recubrimientos en polvo aislantes autoextinguibles retardantes de llama epoxi
En los últimos años, el estado ha implementado vigorosamente políticas ecológicas y respetuosas con el medio ambiente. Los recubrimientos en polvo, gracias a su funcionalidad y respeto al medio ambiente, se aplican cada vez en más sectores industriales diferentes. Cada industria tiene diferentes requisitos de desempeño para ellos. Entre ellos, en el ámbito de los vehículos de nueva energía, cuando el vehículo se carga rápidamente, la batería de a bordo acumulará una gran cantidad de energía térmica en poco tiempo. Si el sistema de gestión de la batería falla y el calor no se puede disipar a tiempo, puede provocar daños en las celdas de la batería o incluso una combustión espontánea y una explosión. También puede provocar un mal funcionamiento de la batería durante la carga y generar accidentes. Las colisiones de vehículos también pueden hacer que la batería se queme o se queme espontáneamente al sufrir daños. Por tanto, su capa protectora debe poseer propiedades ignífugas para que, en caso de explosión, pueda frenar la propagación de las llamas y del calor, proporcionando un efecto de aislamiento contra incendios, dando así al conductor más tiempo para escapar. Además, durante el funcionamiento y carga/descarga de vehículos de nueva energía se genera corriente. Para garantizar un funcionamiento normal, la capa protectora también debe tener propiedades de aislamiento de alto voltaje para evitar que el revestimiento se rompa por la corriente de alto voltaje.
I. Clasificación de recubrimientos en polvo retardantes de llama
Los recubrimientos en polvo, compuestos principalmente de resina, agente de curado, relleno, aditivos y otras materias primas, necesitan alcanzar sus propiedades retardantes de llama mediante la exploración experimental de cada componente desde diferentes dimensiones. Existen dos métodos retardantes de llama para recubrimientos en polvo: uno es retardante de llama aditivo y el otro es retardante de llama reactivo. El retardo de llama aditivo se refiere a confiar en las características retardantes de llama propias del material para completar la protección retardante de llama del recubrimiento, de modo que tenga propiedades retardantes de llama. Esto se logra añadiendo al recubrimiento en polvo diversas sustancias retardantes de llama que no participan en la reacción de curado. El método ignífugo reactivo se refiere a la introducción de estructuras ignífugas en el recubrimiento en polvo. A través de monómeros o estructuras en las materias primas que participan en la reacción de polimerización, finalmente se introducen grupos ignífugos en el recubrimiento en polvo, mejorando así las propiedades ignífugas del recubrimiento en polvo.
1. Retardante de llama aditivo
Este método retardante de llama no participa directamente en la reacción. En cambio, confía en sus propias características retardantes de llama para completar las propiedades retardantes de llama del recubrimiento. Por tanto, se compone principalmente de cargas y aditivos, mientras que la resina y el agente de curado no se incluyen en esta categoría.
En la actualidad, los rellenos retardantes de llama comunes en el mercado incluyen principalmente hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, etc. Sin embargo, sus partículas generalmente están a nivel de micrones, incapaces de lograr altos efectos de carga de relleno, con baja eficiencia retardante de llama y también afectan las propiedades físicas y mecánicas del material. Por lo tanto, al mejorar la fuerza de interacción interfacial entre cargas retardantes de llama, es posible dispersarlas más uniformemente en el recubrimiento en polvo, mejorando así de manera más efectiva las propiedades mecánicas del material mezclado. La adición de rellenos retardantes de llama a nanoescala específicos al recubrimiento en polvo para retardar la llama del relleno reducirá en gran medida la carga de relleno y mejorará eficazmente la eficiencia retardante de llama.
La investigación utiliza hidróxido de aluminio a nanoescala, hidróxido de magnesio y polvo de sílice en experimentos comparativos para explorar el efecto de las cargas retardantes de llama en el rendimiento del recubrimiento en polvo.
A partir de los datos de las pruebas en la Tabla 1, se puede ver que los recubrimientos en polvo con rellenos a nanoescala agregados tienen excelentes propiedades mecánicas y pueden cumplir con los requisitos. Entre ellos, los recubrimientos en polvo con hidróxido de magnesio e hidróxido de aluminio añadidos tienen las mejores propiedades retardantes de llama y ambos logran un efecto retardante de llama de nivel V-0. Los recubrimientos en polvo que utilizan únicamente polvo de sílice como relleno no pueden cumplir los requisitos de retardación de llama.
Debido a que el hidróxido de aluminio comienza a descomponerse a 200 ~ 300 °C, después de la descomposición, producirá vapor de agua debido a la reacción de deshidratación, lo que provocará una reacción endotérmica en el recubrimiento de la superficie, lo que reducirá la temperatura de la superficie del recubrimiento. Al mismo tiempo, el vapor de agua generado diluye la concentración de gases combustibles y oxígeno, por lo que tiene un buen efecto retardante de llama de aislamiento térmico.
La temperatura de descomposición del hidróxido de magnesio es más alta, alcanzando 340~490°C. Su mecanismo retardante de llama es similar al hidróxido de aluminio, pero el hidróxido de magnesio puede promover la carbonización de la superficie recubierta. La capa carbonizada formada puede aislar el contacto entre el oxígeno y la superficie del metal. El hidróxido de aluminio no tiene este efecto. Por tanto, en las mismas condiciones, el efecto retardante de llama del hidróxido de magnesio es significativamente mejor que el del hidróxido de aluminio.
Dado que el polvo de sílice está compuesto de SiO2, el enlace Si—O en la estructura de SiO2 forma una estructura similar a un silicato en el producto curado, generando fuerzas químicas, dando al recubrimiento una mejor resistencia a los disolventes y propiedades de aislamiento, al mismo tiempo que tiene un cierto efecto retardante de llama. Sin embargo, los datos experimentales muestran que el efecto retardante de llama del polvo de sílice es deficiente y no cumple con los requisitos de retardante de llama de nivel V-0.
Para explorar la combinación de retardo de llama y propiedades de aislamiento, se combinan hidróxido de magnesio, hidróxido de aluminio y polvo de sílice para explorar la mejor fórmula de recubrimiento en polvo que combine retardo de llama y aislamiento. Los datos se muestran en las Tablas 2 y 3.
Los resultados experimentales indican que después de combinar hidróxido de magnesio, hidróxido de aluminio y polvo de sílice, los recubrimientos pueden lograr características tanto de retardo de llama como de resistencia al voltaje de aislamiento. Entre ellos, cuando la proporción de composición de hidróxido de magnesio y polvo de sílice es de 2:1, el rendimiento integral del recubrimiento es el mejor, capaz de cumplir con los requisitos de retardo de llama y resistencia al voltaje de aislamiento.
Desde una perspectiva ambiental, se seleccionaron para la investigación aditivos retardantes de llama libres de halógenos, porque los elementos halógenos liberan gases nocivos a altas temperaturas, son volátiles y permeables y fácilmente causan contaminación al medio ambiente a través de estados gaseosos, líquidos y sólidos.
Los retardantes de llama de fósforo son actualmente los aditivos retardantes de llama sin halógenos más utilizados en el mercado. Sus diversas estructuras y su alta eficiencia ignífuga han llamado mucho la atención. Según sus diferentes estructuras, los retardantes de llama de fósforo inorgánico se pueden dividir en polifosfato de amonio, fósforo rojo, etc., mientras que los retardantes de llama de fósforo orgánico se dividen en varios retardantes de llama, como ésteres de fosfato, fosfatos, etc. Debido a las diferencias en los estados de oxidación y los enlaces de coordinación, los retardantes de llama de fósforo generalmente exhiben diferentes mecanismos retardantes de llama. Por lo general, los retardantes de llama de fósforo de alta oxidación actúan principalmente mediante la condensación de la fase retardante de llama. El ácido fosfórico y sus derivados se descomponen al calentarlo, provocando la deshidratación y carbonización de los polímeros, formando una capa carbonizada para bloquear el oxígeno, minimizando la transferencia de calor durante la combustión, logrando así efectos ignífugos y de aislamiento térmico. Los retardantes de llama de fósforo de baja oxidación actúan principalmente mediante retardo de llama en fase gaseosa. Al descomponerse térmicamente, producen una gran cantidad de radicales libres a base de fósforo que, mediante reacciones en cadena durante el enfriamiento, inhiben la propagación de la llama, deteniendo la combustión de los radicales OH· y H·, logrando así retardar la llama. Sin embargo, al mismo tiempo también aumentará la liberación de humo. Actualmente, los retardantes de llama de fósforo tienen un precio relativamente alto. Estos aditivos tienen fuertes efectos retardantes de llama, pero cuando se usan solos, afectarán las propiedades mecánicas de los recubrimientos en polvo. Por lo tanto, actualmente, más a menudo, mientras se reduce la cantidad de retardantes de llama de fósforo, se combinan aditivos sinérgicos y retardantes de llama de fósforo para lograr propiedades retardantes de llama y mejorar sus propiedades mecánicas.
2. Retardante de llama reactivo
La resina epoxi es un material clave que permite que los recubrimientos en polvo tengan efectos ignífugos y de aislamiento térmico, desempeñando un papel muy importante en los polvos aislantes ignífugos. Los grupos epoxi e hidroxilo de la resina epoxi tienen buenas propiedades de aislamiento y, por lo tanto, tienen una fuerte reactividad. Después de reaccionar con el agente de curado, se forma rápidamente una estructura de red reticulada, logrando así propiedades de aislamiento. La resina retardante de llama no es la resina epoxi de bisfenol A ampliamente utilizada en el mercado, sino más bien una resina retardante de llama correspondiente preparada introduciendo elementos retardantes de llama como fósforo, nitrógeno y silicio en la resina epoxi.
Los grupos que contienen nitrógeno tienen propiedades autoextinguibles retardantes de llama, con excelentes características como resistencia a la temperatura y resistencia al arco. La introducción de grupos que contienen nitrógeno en la resina epoxi para su modificación y optimización permite que el recubrimiento formado con agentes de curado y otras materias primas tenga excelentes propiedades retardantes de llama, resistentes a la temperatura y a la presión.
El fósforo tiene buena resistencia al calor y propiedades retardantes de llama. Después de introducir un contenido de fósforo del 1% al 10% en la resina epoxi, las propiedades retardantes de llama y resistentes a la temperatura son excelentes. Los recubrimientos preparados con resina retardante de llama generan oxiácidos que contienen fósforo al calentarse, que pueden catalizar la deshidratación y carbonización del compuesto, reduciendo la tasa de pérdida de masa del material, disminuyendo la generación de combustibles y logrando retardo de llama a través de la capa carbonizada formada.
El uso de silicio orgánico para modificar la resina epoxi reduce su tensión interna y al mismo tiempo promueve la dureza de la resina epoxi, optimizando la resistencia a altas temperaturas y otras propiedades. Todos los polímeros de silicio orgánico que contienen grupos epoxi pueden considerarse resinas epoxi de silicio orgánico. Cuando sus pesos moleculares difieren, el estado de dispersión de la fase de silicio orgánico presentará diferentes cambios, alterando fundamentalmente sus propiedades. Por lo tanto, la clave para utilizar esta resina es abordar adecuadamente los problemas de compatibilidad.
l Investigación sobre el retardo de llama de los agentes de curado
La introducción de grupos que contienen fósforo en los agentes de curado de amina garantiza que el hidrógeno activo en el agente de curado de amina permita el curado completo del producto. Después del curado, el producto contiene dos elementos retardantes de llama, a saber, P y N. Durante el retardo de llama en fase gaseosa y en fase condensada, estos dos elementos retardantes de llama pueden ejercer efectos sinérgicos, logrando ciertos efectos retardantes de llama. Al mismo tiempo, debido a la presencia de elementos P, N y C que forman un sistema retardante de llama intumescente, también logra efectos retardantes de llama en materiales compuestos.
Otro agente de curado epoxi común es el agente de curado anhídrido. Al introducir fósforo u otros elementos retardantes de llama en la molécula del agente de curado, luego se mezcla en estado fundido con materias primas como la resina epoxi para formar recubrimientos en polvo retardantes de llama. Las investigaciones muestran que cuando el contenido de fósforo en el sistema alcanza el 1,5 %, supera el nivel de retardo de llama UL94 V-0.
II. Conclusión
Actualmente, los recubrimientos en polvo ignífugos se están desarrollando rápidamente y sus propiedades ignífugas se pueden lograr a partir de diferentes etapas de la materia prima. Para lograr una composición funcional de retardo de llama y aislamiento, es necesario comenzar desde la estructura y el mecanismo de las materias primas, explorando los efectos sinérgicos entre varias materias primas para lograr una composición funcional. Este artículo explora la estructura y las características de cada sistema de materia prima, proporcionando una base teórica para la composición de rendimiento. Sin embargo, las condiciones reales de aplicación deben determinarse en función de los resultados de laboratorio.
La búsqueda de una ruta lista para usar y sin halógenos tanto para el retardo de llama como para el aislamiento de alto voltaje puede recurrir a la generación de aditivos organofosforados que ofrece Guangzhou Yinsu Flame Retardant. Los Yinsu YS-22E , YS-M220G y YS-9003 son todos sistemas de polvo blanco, a base de fósforo y libres de halógenos que han sido activados en superficie para dispersión a nanoescala en polvos epoxi. Funcionan formando una barrera de carbón intumescente mientras mantienen la integridad dieléctrica del recubrimiento.
