Study on Flame Retardancy and Smoke Suppression of Silicone Rubber Foam Containing Aluminum Hydroxide and Carbon Molecular Sieve
本研究は、水酸化アルミニウムとカーボン分子ふるい（CMS）を物理的混合によってシリコーンゴムフォームに組み込むことで、緻密なSiO₂/炭化層（チャー）障壁を形成し、最適な添加量においてUL-94 V-0規格の達成および熱放出量と煙発生量の大幅な低減を実現する相乗的なシステムが構築され、難燃性と煙抑制能が著しく向上することを実証している。
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火は容赦のない力ですが、私たちが作る材料がそれに容易に屈する必要はありません。防火の世界において、研究者たちは材料が燃焼するのを防ぐ、あるいは炎や煙の広がりを遅らせる方法を常に模索しています。そのような材料の一つに、シリコーンゴムフォームがあります。これは建物の隙間を埋めたり、繊細な電子機器を保護したりするために使用される、軽量で柔軟な物質です。熱には強いものの、純粋なシリコーンゴムフォームは依然として火がつきやすく、濃くて危険な煙を放出することがあります。これを解決するために、科学者たちは熱を吸収したり、熱くなった時に保護障壁を作り出したりする物質を添加することがよくあります。二つの一般的な助けとなるのは、加熱時に水蒸気を放出して冷却効果をもたらす鉱物である水酸化アルミニウムと、ガスを閉じ込めることができる微細な穴を持つ多孔質の炭素構造体であるカーボン分子ふるい（炭素分子篩）です。課題は、フォームを重くしたり脆くしたりすることなく、これら二つの助けとなる物質をどのように最適な配合にするかでした。
西安理工大学および中国の他の機関の研究チームは、このパズルを解くために着手しました。彼らは、水酸化アルミニウムとカーボン分子ふるいを組み合わせることで、どちらか一方のみを使用する場合よりも優れた防火・防煙シールドが作れるかどうかを検証したいと考えました。彼らはシリコーンゴムフォームを取り、これら二つの添加剤を異なる量で混合し、一連のテスト用サンプルを作成しました。彼らの目的は単純でした。すなわち、フォームの燃焼を抑制し、液滴の落下を防ぎ、燃焼時に発生する煙の量を劇的に減少させる完璧なレシピを見つけることです。
チームは、作成した生成物を標準的な手法を用いて火災耐性を測定するテストにかけました。材料が燃え続けるために必要な酸素量、垂直燃焼試験における挙動、そして制御された火災シミュレーションにおける放出熱量と煙の量を調べました。その結果、水酸化アルミニウムのみ、あるいはカーボン分子ふるいのみを添加することも効果はあるものの、真のブレイクスルーはそれらを混合した時に訪れたことが分かりました。最も優れた性能を示したサンプルは、フォーム100部に対して水酸化アルミニウム5部とカーボン分子ふるい2部の割合で配合されたものでした。この特定のブレンドは、材料の挙動を劇的に変化させました。発火しにくくなり、燃焼を維持するためにより高い濃度の酸素を必要とするようになり、溶融した材料の滴下もなく、最も厳しい垂直燃焼の安全基準を通過しました。
この最適な混合物を激しい熱にさらしたところ、驚くべき結果が得られました。材料から放出されるピーク熱量は、純粋なフォームと比較して大幅に低下し、時間の経過に伴う総放出熱量は半分以下に削減されました。さらに印象的だったのは煙への影響です。煙の発生率は70％以上低下し、総煙発生量は94％近くも減少しました。実用的な観点から言えば、これは、もしこの処理されたフォームで覆われた部屋で火災が発生した場合、炎は弱まり、熱の強さは抑えられ、空気がより長くクリアな状態に保たれるため、人々が避難するための時間をより多く確保できることを意味します。
なぜこの混合物がこれほど効果的であったのかを理解するために、研究者たちは火が消えた後に残ったものを詳しく調査しました。彼らは、燃焼中の材料の表面に形成される「チャー（炭化層）」、すなわち殻を調べました。純粋なシリコーンゴムフォームは、保護能力のほとんどない、緩くひび割れた層を残しました。対照的に、水酸化アルミニウムとカーボン分子ふるいを含むフォームは、厚く、緻密で、連続した障壁を残しました。水酸化アルミニウムは、水蒸気を放出することで可燃性ガスと熱を希釈する冷却剤として機能し、一方でカーボン分子ふるいは、チャーを保持するための物理的な骨格を提供しました。これらが一体となり、熱と煙を閉じ込め、それらが火に燃料を与えたり、部屋の中に逃げ出したりすることを防ぐ、シリカと炭素からなる強固なシールドを形成したのです。
この研究は、この組み合わせが強力な二重層の防御を生み出すことを裏付けています。添加剤は共に作用して、フォームの化学的分解を遅らせ、火に対する頑丈な壁を築きます。このアプローチは、シリコーンゴムフォームをより安全にするための、環境に優しく効率的な方法を提供します。これら二つの一般的な材料の適切なバランスを見出すことで、研究者たちは、単に火に耐えるだけでなく、火災時の二大脅威である有害な煙による空気の汚れをも防ぐことができるフォームを作ることが可能であることを示しました。
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