Hidróxido de alumínio(ATH, Al (OH) ₃), como o retardador de chama inorgânico sem halogênio mais amplamente utilizado e ecologicamente correto no mundo, tem cinco vantagens principais de retardamento de chama, supressão de fumaça, enchimento, não toxicidade e baixo custo. É amplamente utilizado em áreas como resina epóxi, resina insaturada, elastômero de PVC, material de cabo EVA, material composto de borracha, material de vedação eletrônica e material de decoração de construção. Contra o pano de fundo de regulamentações ambientais globais cada vez mais rigorosas e a tendência dominante de retardadores de chama sem halogênio, o hidróxido de alumínio tornou-se a solução preferida para sistemas retardadores de chama de materiais de alta qualidade devido às suas características de gás não volátil, não corrosivo e não tóxico.
O efeito retardador de chama mais importante e fundamental do hidróxido de alumínio é o efeito endotérmico da decomposição térmica.
Quando o material polimérico preenchido é aquecido na faixa de 200°C - 320°C, o hidróxido de alumínio sofre reação de desidratação completa, liberando água cristalina e convertendo-se em alumina ativada. A equação da reação é a seguinte:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Este processo tem duas características principais de retardamento de chama:
1. Forte capacidade de absorção de calor: Cada grama de decomposição de hidróxido de alumínio pode absorver 1050-1200 J de calor, que pode absorver rapidamente o calor de combustão na superfície e no interior do material, forçando a temperatura do substrato a ser inferior à temperatura crítica de decomposição térmica, encerrando ou atrasando a combustão.
2. Limiar de temperatura preciso: A temperatura de decomposição é altamente compatível com a temperatura de degradação térmica da maioria dos materiais termoplásticos e resinas termoendurecíveis, e o mecanismo retardador de chama pode ser ativado imediatamente quando o material entra na faixa de temperatura perigosa, alcançando proteção precoce.
Entendimento simples: O hidróxido de alumínio funciona como um “sistema de resfriamento” dentro do material, absorvendo grande quantidade de calor no momento da ignição, impossibilitando que o material mantenha a temperatura de combustão e suprimindo a continuação da combustão desde a raiz.
Durante o processo de desidratação e decomposição,hidróxido de alumíniolibera uma grande quantidade de vapor de água em alta temperatura, que é sua segunda função principal de retardador de chama.
O vapor de água forma uma barreira gasosa de alta densidade na superfície do material, alcançando um triplo efeito retardador de chama:
1. Diluição de gases combustíveis: Gases combustíveis como monóxido de carbono, alcanos e alcenos produzidos pela decomposição térmica de materiais são grandemente diluídos pelo vapor de água, reduzindo sua concentração abaixo do limite de combustão.
2. Isolamento de oxigênio: O vapor d'água ocupa o espaço da interface de combustão, reduzindo a difusão do oxigênio externo no material e criando um ambiente fracamente oxidante.
3. Reduza a temperatura da fase gasosa: a gaseificação do vapor de água absorve ainda mais o calor, reduz a temperatura da chama e enfraquece a radiação térmica sustentada da chama no substrato.
Ao contrário dos retardadores de chama halogenados, o vapor de água liberado pelo hidróxido de alumínio não é tóxico, não corrosivo e não cancerígeno, cumprindo integralmente os padrões ambientais globais, como REACH da UE, RoHS e UL dos EUA, tornando-o um representante central dos sistemas retardadores de chama verde.
Após a desidratação do hidróxido de alumínio, uma camada de alumina ativada (Al₂O₃) branca, densa, de alto ponto de fusão e não inflamável será gerada in situ na superfície do material.
O óxido de alumínio tem ponto de fusão de até 2.050 ℃ e possui forte estabilidade térmica e resistência estrutural, servindo como uma barreira física tripla:
1. Isolar a transferência de calor: impedir que chamas externas irradiem calor para o substrato interno e evitar maior decomposição térmica do material.
2. Bloqueie o gotejamento de gotículas: Fixe o polímero fundido para evitar combustão secundária ou propagação de fogo causada pelo gotejamento de gotículas.
3. Bloqueie gases combustíveis: suprima o escape de gases combustíveis internos e corte o fornecimento de substâncias em combustão.
Esta camada de casca de alumina não queima, fumega ou quebra e é uma base física importante para obter retardamento de chama duradouro do hidróxido de alumínio.
Em acidentes reais de incêndio, a fumaça espessa e os gases tóxicos são os principais fatores que causam danos. A principal vantagem do hidróxido de alumínio em comparação com outros retardadores de chama é o retardamento de chama síncrono e a forte supressão de fumaça.
Seu mecanismo de supressão de fumaça se reflete em três aspectos:
1. Supressão de baixa temperatura de geração de fumaça e poeira: absorção de calor e resfriamento antecipado para reduzir a fumaça preta, alcatrão e partículas tóxicas geradas por rachaduras em alta temperatura de materiais.
2. Adsorção física de partículas de fumaça pela camada de alumina: A estrutura da superfície porosa pode capturar partículas de fumaça e reduzir a concentração de fumaça.
3. Sem poluição secundária: não produz fumaça altamente tóxica, como haletos de hidrogênio e dioxinas, e atende aos rígidos requisitos de densidade de fumaça em áreas como construção, transporte, materiais internos e trânsito ferroviário.
Em aplicações como resina epóxi, materiais compósitos SMC/BMC, fios e cabos, a adição de hidróxido de alumínio pode reduzir a densidade da fumaça (DS) do material em mais de 60%, melhorando significativamente a segurança contra incêndio.
Hidróxido de alumínionão atua sozinho e pode formar um efeito de carbonização sinérgico com a matriz de resina em sistemas de alto enchimento
1. A camada de alumina promove a rápida formação de uma camada de carbono estável na superfície do substrato;
2. A absorção de calor e a desidratação aceleram a densificação da camada de carbono, aumentando a sua capacidade antioxidante;
3. Reduza o tempo de combustão, torne o material autoextinguível e pare imediatamente de queimar após sair da chama.
Este efeito sinérgico permite que o hidróxido de alumínio exiba uma eficiência retardadora de chama que excede em muito a das cargas inorgânicas comuns em resinas epóxi altamente carregadas, poliésteres insaturados e elastômeros.
Levando em consideração os efeitos acima, o hidróxido de alumínio não atinge retardamento de chama por meio de um único mecanismo, mas sim pela ocorrência simultânea de quatro funções: absorção de calor e resfriamento, diluição em fase gasosa, isolamento em fase sólida, supressão de fumaça e fixação de carbono sólido, formando uma rede tridimensional completa de retardador de chama:
1. Absorção de calor: resfriamento forçado para evitar pirólise contínua de materiais;
2. Liberação de água: Oxigênio diluído e gases combustíveis;
3. Formação de casca: formando uma camada de isolamento de alumina;
4. Supressão de fumaça: Reduza a fumaça tóxica e aumente a segurança.
Esta é também a razão fundamental pela qual o hidróxido de alumínio pode se tornar o material principal no campo global de retardadores de chama sem halogênio.
