Dans la science de la sécurité incendie, la « suppression de la fumée » et le « retardateur de flamme » sont tout aussi importants mais ont des mécanismes différents comme objectifs principaux.Borate de zinc(en prenant comme exemple le 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O le plus couramment utilisé) est largement reconnu comme un synergiste anti-fumée efficace. Ses performances exceptionnelles ne sont pas dues à une action unique, mais plutôt au résultat d'une synergie chimique et physique en plusieurs étapes et à plusieurs échelles qui se produit simultanément dans la phase condensée et la phase gazeuse et qui traverse tout le processus de combustion. Cet article analysera systématiquement comment contrôler la génération et le rejet de fumée à partir de la source en construisant un « réseau tridimensionnel de suppression de fumée ».
Tout d’abord, il convient de préciser que la fumée est principalement un aérosol composé de particules de carbone en suspension (suie) et de gouttelettes organiques condensées générées par une combustion incomplète de polymères. Par conséquent, l’essentiel de la suppression de la fumée réside dans :
1. Favoriser une oxydation complète et réduire la génération de particules de carbone.
2. Capturez et fixez les particules de carbone pour empêcher leur fuite.
3. Modifier la voie de réaction de combustion pour réduire les matières organiques volatiles.
Le borate de zinc développe son projet de désenfumage systématique autour de ces trois points.
L'effet de suppression de fumée du borate de zinc peut être clairement divisé en trois étapes continues pilotées par la température, qui peuvent être vérifiées avec précision par des tests de densité de fumée utilisant la spectroscopie infrarouge thermogravimétrique (TGA-FTIR) et un calorimètre à cône.
Dans cette plage de température, le borate de zinc libère son eau cristalline :
·Mécanisme et fonction :
·Refroidissement : L'évaporation de l'eau est un processus endothermique puissant qui refroidit efficacement la matrice polymère, ralentit sa décomposition thermique et réduit ainsi le taux de génération de gaz combustibles et de précurseurs de fumée.
·Dilution physique : La vapeur d'eau libérée dilue la concentration de produits de pyrolyse volatils et d'oxygène dans la zone de flamme, ce qui non seulement aide à supprimer la combustion, mais favorise également l'oxydation en phase gazeuse de certains composants volatils condensables, les rendant plus enclins à être convertis en CO₂ et H₂O plutôt qu'en suie.
Il s’agit de l’étape la plus critique pour supprimer la fumée avec le borate de zinc. Après déshydratation, le métaborate de zinc (2ZnO.3B₂O₃) fond pour former une masse fondue vitreuse de bore-zinc-oxygène visqueuse et imperméable, recouvrant la surface du polymère et la couche de carbone en cours de formation.
·Mécanisme et fonction :
1. Barrière physique et capture : Cette couche de verre fondu est comme un « filtre collant », qui peut capturer et encapsuler efficacement les particules de carbone (suie) et les macromolécules de type goudron qui s'échappent du corps polymère, les bloquant dans la phase condensée et les empêchant d'entrer dans la phase gazeuse pour former de la fumée.
2. Oxydation catalytique : Les borates fondus sont d’excellents catalyseurs d’oxydation. Il peut catalyser l'oxydation profonde des particules de carbone et des fragments organiques capturés par lui à l'interface de la phase gazeuse condensée, les convertissant en CO ₂, « éliminant » ainsi directement les substances de fumée potentielles à la source.
3. Favoriser la formation de charbon : Cette couche de verre peut stabiliser et améliorer la structure de la couche de charbon expansée. Une couche de charbon plus complète signifie que moins de combustibles de pyrolyse sont produits, réduisant indirectement les émissions de fumée.
À des températures plus élevées, le système forme finalement une couche résiduelle stable, poreuse mais robuste deborate de zinc/Céramiques composites carbone/oxyde métallique.
·Mécanisme et fonction : Cette couche résiduelle a une stabilité thermique extrêmement élevée et peut servir de barrière durable pour l'isolation thermique, empêchant la décomposition ultérieure des matériaux internes et la génération ultérieure de fumée, garantissant ainsi l'efficacité à long terme de la suppression de la fumée.
La capacité de suppression de fumée du borate de zinc est considérablement améliorée lorsqu'il est combiné avec d'autres retardateurs de flamme, reflétant sa valeur fondamentale en tant qu'agent synergique.
·Effet synergique avec les halogènes (comme le Cl dans le PVC) :
·Dans les systèmes halogénés, le borate de zinc peut réagir avec les halogénures d'hydrogène (HCl) libérés pour produire du chlorure de zinc (ZnCl ₂) et de l'oxychlorure de bore.
·ZnCl ₂ est un catalyseur acide de Lewis plus puissant qui peut catalyser plus vigoureusement les réactions de réticulation et d'aromatisation des polymères (tels que le PVC), favorisant la formation rapide d'une couche de charbon dense (c'est-à-dire le « charbon catalytique »), inhibant ainsi la génération de suie à un stade précoce. Il s’agit d’un mécanisme synergique ternaire classique de suppression de fumée à « halogène au bore-zinc ».
·Effet synergique avec les hydroxydes métalliques (ATH/MDH) :
·Il existe une bonne corrélation entre la température de décomposition du borate de zinc et l'ATH/MDH. L'ATH/MDH décompose et absorbe la chaleur, déshydrate et supprime la fumée à des températures plus basses (~200-300℃), tandis que le borate de zinc continue de fonctionner à des températures plus élevées (~300-500℃), formant un « relais de température » et élargissant la plage de température efficace de l'ensemble de l'effet de suppression de fumée.
1. Taille des particules et dispersion : le borate de zinc ultra fin et uniformément dispersé peut fournir une surface spécifique de réaction plus grande, ce qui rend la couche de verre fondue plus rapide et plus dense, et a une efficacité de suppression de fumée plus élevée.
2. État d'hydratation : la température de décomposition et le comportement de fusion du trihydrate, du monohydrate et du borate de zinc anhydre sont différents, et une sélection correspondante doit être effectuée en fonction de la température de décomposition de la matrice polymère pour optimiser la synergie des étapes.
3. Montant d’addition : Il existe une fenêtre de montant d’addition optimale. Trop faible pour former une couche de couverture continue et efficace ; Des valeurs excessives peuvent affecter les propriétés mécaniques des matériaux et ne plus améliorer de manière significative l'efficacité de la suppression des fumées.
Les tests au calorimètre à cône constituent la référence en matière de quantification des performances de suppression des fumées. L'ajout de matériaux polymères de borate de zinc de haute qualité entraîne généralement les modifications de données suivantes :
·La zone d'extinction spécifique (SEA) et le taux de génération de fumée (SPR) ont considérablement diminué (jusqu'à 30% -60%).
·Le dégagement total de fumée (TSR) a considérablement diminué.
·La microstructure du carbone résiduel (observation SEM) montre une structure de surface plus dense, continue et vitreuse.
En résumé, le mécanisme de suppression de la fumée deborate de zincn'est pas le simple résultat d'une seule réaction chimique, mais plutôt un « système de défense à plusieurs étapes » soigneusement conçu :
·Étape précoce (dilution endothermique) : Retarder la production de précurseurs de fumée par des moyens physiques et chimiques.
·Étape intermédiaire (catalyse par fusion) : capter et convertir les particules de fumée à l'interface par piégeage physique et catalyse chimique.
·Étape ultérieure (barrière stable) : en formant du carbone résiduel stable, il empêche la génération continue de fumée.
Il incarne parfaitement le rôle d'un « agent synergique » : il peut exercer indépendamment une excellente fonction de suppression de fumée dans les systèmes sans halogène, et peut également améliorer l'efficacité globale de suppression de fumée et d'ignifugation du système à une nouvelle hauteur grâce à des réactions chimiques avec d'autres composants dans les systèmes de remplissage halogénés ou inorganiques.
Par conséquent, pour les concepteurs de matériaux qui recherchent des niveaux de sécurité incendie plus élevés (non seulement non combustibles, mais également à faible fumée et faible toxicité), le borate de zinc n'est pas une option, mais une option nécessaire basée sur une perspective globale de la chimie de la combustion. Il représente un concept de conception avancé allant du ignifuge passif à l'actif, propre et résistant au feu.
Vos matériaux polymères doivent-ils être conformes à des normes strictes de toxicité de la fumée (telles que EN 45545, NFPA 130) ? Nous pouvons fournir une solution complète depuis la sélection du meilleur modèle de borate de zinc, la conception de schémas de composition, jusqu'à la vérification des performances de suppression de fumée d'un ensemble complet de calorimètres à cône, aidant ainsi votre produit à atteindre un double leadership en matière de sécurité et de protection de l'environnement.
