Aluminium hidroksida(ATH, Al(OH)₃), sebagai penghambat api anorganik bebas halogen yang paling banyak digunakan dan ramah lingkungan di dunia, memiliki lima keunggulan inti yaitu penghambat api, peredam asap, pengisian, tidak beracun, dan biaya rendah. Ini banyak digunakan di bidang-bidang seperti resin epoksi, resin tak jenuh, elastomer PVC, bahan kabel EVA, bahan komposit karet, bahan penyegel elektronik, dan bahan dekorasi bangunan. Dengan latar belakang peraturan lingkungan hidup global yang semakin ketat dan tren utama penghambat api bebas halogen, aluminium hidroksida telah menjadi solusi pilihan untuk sistem penghambat api material kelas atas karena karakteristik gasnya yang tidak mudah menguap, tidak korosif, dan tidak beracun.
Efek penghambat api yang paling inti dan mendasar dari aluminium hidroksida adalah efek endotermik dari dekomposisi termal.
Ketika bahan polimer yang diisi dipanaskan hingga kisaran 200°C - 320°C, aluminium hidroksida mengalami reaksi dehidrasi sempurna, melepaskan air kristal dan berubah menjadi alumina aktif. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Proses ini memiliki dua karakteristik utama tahan api:
1. Kapasitas penyerapan panas yang kuat: Setiap gram dekomposisi aluminium hidroksida dapat menyerap panas 1050-1200 J, yang dapat dengan cepat menyerap panas pembakaran pada permukaan dan bagian dalam material, memaksa suhu substrat menjadi lebih rendah dari suhu kritis dekomposisi termal, sehingga menghentikan atau menunda pembakaran.
2. Ambang batas suhu yang akurat: Suhu dekomposisi sangat sesuai dengan suhu degradasi termal sebagian besar bahan termoplastik dan resin termoset, dan mekanisme tahan api dapat segera diaktifkan ketika bahan memasuki kisaran suhu berbahaya, sehingga mencapai perlindungan dini.
Pemahaman sederhana: Aluminium hidroksida ibarat “sistem pendingin” di dalam material, menyerap sejumlah besar panas pada saat penyalaan, sehingga material tidak dapat mempertahankan suhu pembakaran dan menekan kelanjutan pembakaran dari akar.
Selama proses dehidrasi dan dekomposisi,aluminium hidroksidamelepaskan sejumlah besar uap air bersuhu tinggi, yang merupakan fungsi penghambat api utama kedua.
Uap air membentuk penghalang gas berdensitas tinggi pada permukaan material, sehingga menghasilkan efek penghambat api tiga kali lipat:
1. Pengenceran gas yang mudah terbakar: Gas yang mudah terbakar seperti karbon monoksida, alkana, dan alkena yang dihasilkan oleh dekomposisi termal bahan sangat encer oleh uap air, sehingga mengurangi konsentrasinya hingga di bawah batas pembakaran.
2. Isolasi oksigen: Uap air menempati ruang antarmuka pembakaran, mengurangi difusi oksigen eksternal ke dalam material dan menciptakan lingkungan oksidasi lemah.
3. Mengurangi suhu fase gas: Gasifikasi uap air selanjutnya menyerap panas, mengurangi suhu nyala api, dan melemahkan radiasi termal nyala api yang berkelanjutan pada substrat.
Tidak seperti penghambat api terhalogenasi, uap air yang dilepaskan oleh aluminium hidroksida tidak beracun, tidak korosif, dan tidak karsinogenik, sepenuhnya mematuhi standar lingkungan global seperti EU REACH, RoHS, dan US UL, menjadikannya perwakilan inti sistem penghambat api ramah lingkungan.
Setelah dehidrasi aluminium hidroksida, lapisan alumina aktif (Al₂O₃) berwarna putih, padat, titik leleh tinggi, dan tidak mudah terbakar akan terbentuk di permukaan material.
Aluminium oksida memiliki titik leleh hingga 2050 ℃ dan memiliki stabilitas termal dan kekuatan struktural yang kuat, berfungsi sebagai tiga penghalang fisik:
1. Isolasi perpindahan panas: menghalangi api eksternal agar tidak memancarkan panas ke substrat internal, dan mencegah dekomposisi termal lebih lanjut pada material.
2. Blokir tetesan tetesan: Perbaiki lelehan polimer untuk mencegah pembakaran sekunder atau penyebaran api yang disebabkan oleh tetesan tetesan.
3. Mengunci gas yang mudah terbakar: menekan keluarnya gas yang mudah terbakar di dalam dan memutus pasokan zat yang terbakar.
Lapisan cangkang alumina ini tidak akan terbakar, berasap, atau pecah, dan merupakan dasar fisik yang penting untuk mencapai ketahanan api aluminium hidroksida yang tahan lama.
Dalam kecelakaan kebakaran sebenarnya, asap tebal dan gas beracun merupakan faktor utama penyebab kerugian. Keuntungan inti aluminium hidroksida dibandingkan penghambat api lainnya adalah penghambatan api sinkron dan peredaman asap yang kuat.
Mekanisme penindasan asapnya tercermin dalam tiga aspek:
1. Penekanan suhu rendah terhadap pembentukan asap dan debu: menyerap panas dan pendinginan terlebih dahulu untuk mengurangi asap hitam, tar, dan partikel beracun yang dihasilkan oleh perengkahan bahan pada suhu tinggi.
2. Adsorpsi fisik partikel asap oleh lapisan alumina: Struktur permukaan berpori dapat menangkap partikel asap dan mengurangi konsentrasi asap.
3. Tidak ada polusi sekunder: tidak menghasilkan asap yang sangat beracun seperti hidrogen halida dan dioksin, dan memenuhi persyaratan kepadatan asap yang ketat di bidang seperti konstruksi, transportasi, material dalam ruangan, dan angkutan kereta api.
Dalam aplikasi seperti resin epoksi, material komposit SMC/BMC, kabel dan kabel, penambahan aluminium hidroksida dapat mengurangi kepadatan asap (DS) material hingga lebih dari 60%, sehingga meningkatkan keselamatan kebakaran secara signifikan.
Aluminium hidroksidatidak bertindak sendiri dan dapat membentuk efek karbonisasi sinergis dengan matriks resin dalam sistem pengisian tinggi
1. Lapisan alumina mendorong pembentukan lapisan karbon stabil dengan cepat pada permukaan substrat;
2. Penyerapan panas dan dehidrasi mempercepat pemadatan lapisan karbon, meningkatkan kapasitas antioksidannya;
3. Mengurangi waktu pembakaran, membuat bahan padam sendiri, dan segera menghentikan pembakaran setelah keluar dari api.
Efek sinergis ini memungkinkan aluminium hidroksida menunjukkan efisiensi tahan api yang jauh melebihi bahan pengisi anorganik biasa pada resin epoksi dengan kandungan tinggi, poliester tak jenuh, dan elastomer.
Dengan mempertimbangkan efek di atas, aluminium hidroksida tidak mencapai penghambatan api melalui mekanisme tunggal, melainkan melalui empat fungsi yang terjadi secara bersamaan: penyerapan dan pendinginan panas, pengenceran fase gas, isolasi fase padat, peredam asap, dan fiksasi karbon padat, membentuk jaringan tahan api tiga dimensi yang lengkap:
1. Penyerapan panas: pendinginan paksa untuk mencegah pirolisis bahan secara terus menerus;
2. Pelepasan air: Encerkan oksigen dan gas yang mudah terbakar;
3. Pembentukan cangkang: membentuk lapisan insulasi alumina;
4. Penekanan asap: Mengurangi asap beracun dan meningkatkan keselamatan.
Ini juga merupakan alasan mendasar mengapa aluminium hidroksida dapat menjadi bahan utama di bidang penghambat api bebas halogen global.
