Na ciência da segurança contra incêndio, a “supressão de fumaça” e o “retardamento de chama” são igualmente importantes, mas têm mecanismos diferentes como objetivos principais.Borato de zinco(tomando o 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O mais comumente usado como exemplo) é amplamente reconhecido como um eficiente sinergista supressor de fumaça. Seu excelente desempenho não se deve a uma única ação, mas sim ao resultado de uma sinergia química e física multiestágio e multiescala que ocorre simultaneamente na fase condensada e na fase gasosa, e percorre todo o processo de combustão. Este artigo analisará sistematicamente como controlar a geração e liberação de fumaça da fonte através da construção de uma "rede tridimensional de supressão de fumaça".
Primeiramente, deve-se esclarecer que a fumaça é principalmente um aerossol composto por partículas de carbono em suspensão (fuligem) e gotículas orgânicas condensadas geradas pela combustão incompleta de polímeros. Portanto, o cerne da supressão de fumaça reside em:
1. Promova a oxidação completa e reduza a geração de partículas de carbono.
2. Capturar e fixar partículas de carbono para evitar a sua fuga.
3. Alterar o caminho da reação de combustão para reduzir a matéria orgânica volátil.
O borato de zinco está desenvolvendo seu projeto sistemático de supressão de fumaça em torno desses três pontos.
O efeito de supressão de fumaça do borato de zinco pode ser claramente dividido em três estágios contínuos controlados pela temperatura, que podem ser verificados com precisão por meio de testes de densidade de fumaça usando espectroscopia infravermelha termogravimétrica (TGA-FTIR) e calorímetro de cone.
Nesta faixa de temperatura, o borato de zinco libera sua água cristalina:
·Mecanismo e função:
·Resfriamento: A evaporação da água é um forte processo endotérmico que resfria efetivamente a matriz polimérica, retarda sua decomposição térmica e, assim, reduz a taxa de geração de gases combustíveis e precursores de fumaça.
·Diluição física: O vapor de água liberado dilui a concentração de produtos voláteis da pirólise e oxigênio na zona da chama, o que não só ajuda a suprimir a combustão, mas também promove a oxidação em fase gasosa de alguns componentes voláteis condensáveis, tornando-os mais propensos a serem convertidos em CO ₂ e H₂O em vez de fuligem.
Esta é a etapa mais crítica na supressão da fumaça com borato de zinco. Após a desidratação, o metaborato de zinco (2ZnO·3B₂O₃) derrete para formar um fundido vítreo de boro zinco oxigênio viscoso e impermeável, cobrindo a superfície do polímero e a camada de carbono que está sendo formada.
·Mecanismo e função:
1. Barreira física e captura: Esta camada de vidro fundido é como um "filtro pegajoso", que pode efetivamente capturar e encapsular partículas de carbono (fuligem) e macromoléculas semelhantes a alcatrão que escapam do corpo do polímero, prendendo-as na fase condensada e impedindo-as de entrar na fase gasosa para formar fumaça.
2. Oxidação catalítica: Os boratos fundidos são excelentes catalisadores de oxidação. Ele pode catalisar a oxidação profunda de partículas de carbono e fragmentos orgânicos por ele capturados na interface da fase gasosa condensada, convertendo-os em CO ₂, "eliminando" diretamente possíveis substâncias de fumaça na fonte.
3. Promoção da formação de carvão: Esta camada de vidro pode estabilizar e melhorar a estrutura da camada de carvão expandido. Uma camada de carvão mais completa significa que menos combustíveis de pirólise são produzidos, reduzindo indiretamente as emissões de fumaça.
Em temperaturas mais altas, o sistema forma finalmente uma camada residual estável, porosa, mas robusta, deborato de zinco/cerâmica composta de carbono/óxido metálico.
·Mecanismo e função: Esta camada residual possui estabilidade térmica extremamente elevada e pode servir como uma barreira duradoura para o isolamento térmico, evitando maior decomposição dos materiais internos e a posterior geração de fumaça, garantindo a eficácia a longo prazo da supressão de fumaça.
A capacidade de supressão de fumaça do borato de zinco é significativamente melhorada quando combinado com outros retardadores de chama, refletindo seu valor central como agente sinérgico.
·Efeito sinérgico com halogênios (como Cl em PVC):
·Em sistemas halogenados, o borato de zinco pode reagir com haletos de hidrogênio (HCl) liberados para produzir cloreto de zinco (ZnCl ₂) e oxicloreto de boro.
·ZnCl ₂ é um catalisador ácido de Lewis mais forte que pode catalisar reações de reticulação e aromatização de polímeros (como PVC) de forma mais vigorosa, promovendo a rápida formação de uma camada densa de carvão (ou seja, "carvão catalítico"), inibindo assim a geração de fuligem em um estágio anterior. Este é um mecanismo sinérgico ternário clássico de supressão de fumaça "boro-zinco halogênio".
·Efeito sinérgico com hidróxidos metálicos (ATH/MDH):
·Existe uma boa correlação entre a temperatura de decomposição do borato de zinco e ATH/MDH. O ATH/MDH decompõe e absorve calor, desidrata e suprime a fumaça em temperaturas mais baixas (~200-300°C), enquanto o borato de zinco continua a funcionar em temperaturas mais altas (~300-500°C), formando um "relé de temperatura" e expandindo a faixa de temperatura efetiva de todo o efeito de supressão de fumaça.
1. Tamanho e dispersão das partículas: O borato de zinco ultrafino e uniformemente disperso pode fornecer uma área de superfície específica de reação maior, fazendo com que a camada de vidro fundido cubra mais rápida e densamente e tenha maior eficiência de supressão de fumaça.
2. Estado de hidratação: A temperatura de decomposição e o comportamento de fusão do trihidrato, monohidrato e borato de zinco anidro são diferentes, e a seleção correspondente deve ser feita com base na temperatura de decomposição da matriz polimérica para otimizar a sinergia do estágio.
3. Quantidade de adição: Existe uma janela de quantidade de adição ideal. Muito baixo para formar uma camada de cobertura contínua e eficaz; Valores excessivos podem afetar as propriedades mecânicas dos materiais e não melhorar significativamente a eficiência da supressão de fumaça.
O teste do calorímetro cônico é o padrão ouro para quantificar o desempenho da supressão de fumaça. A adição de materiais poliméricos de borato de zinco de alta qualidade geralmente resulta nas seguintes alterações de dados:
·A área específica de extinção (SEA) e a taxa de geração de fumaça (SPR) diminuíram significativamente (até 30% -60%).
·A liberação total de fumaça (TSR) diminuiu significativamente.
·A microestrutura do carbono residual (observação SEM) apresenta uma estrutura superficial mais densa, contínua e vítrea.
Em resumo, o mecanismo de supressão de fumaça doborato de zinconão é um simples resultado de uma única reação química, mas sim um "sistema de defesa em vários estágios" cuidadosamente projetado:
·Fase inicial (diluição endotérmica): Retardar a produção de precursores de fumo por meios físicos e químicos.
·Estágio intermediário (catálise por fusão): Captura e conversão de partículas de fumaça na interface por meio de captura física e catálise química.
·Fase posterior (barreira estável): Ao formar carbono residual estável, evita a geração contínua de fumaça.
Ele incorpora perfeitamente o papel de um "agente sinérgico" - pode exercer de forma independente uma excelente função de supressão de fumaça em sistemas livres de halogênio e também pode melhorar a supressão geral de fumaça e a eficiência retardadora de chama do sistema a um novo patamar por meio de reações químicas com outros componentes em sistemas de enchimento halogenados ou inorgânicos.
Portanto, para os projetistas de materiais que buscam níveis mais elevados de segurança contra incêndio (não apenas incombustíveis, mas também com baixa emissão de fumaça e baixa toxicidade), o borato de zinco não é uma opção, mas uma opção necessária com base em uma perspectiva global da química da combustão. Representa um conceito de design avançado, desde retardador de chama passivo até ativo, limpo e resistente ao fogo.
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