پلی یورتان (PU) یک ماده پلیمری است که در ساخت محصولات مدرن، همه کاره، ایمن وسازگار با محیط زیست استفاده می گردد. در حال حاضر، PU یک ماده استراتژیک تجاری در دسترس بوده که به طور گسترده در صنعت استفاده می شود. به عنوان مثال، در سال ۲۰۱۶، مصرف PU در سراسر جهان ۹ درصد از مصرف جهانی پلاستیک بود و طبق گزارش های اخیر، فوم های پلی یورتان (PUFs) جزء اصلی تولید بودند. فوم یک ماده پیچیده است که حاوی منافذ (حفره هایی) است که توسط گاز در یک ماتریس پلیمری جامد تشکیل شده است. ریزساختار و رئولوژی فوم، تأثیر قابل توجهی بر خواص محصول نهایی دارد. PUF ها را می توان به PUF های فلکسیبل (شکل 1A) و ریجید (شکل 1B) طبقه بندی کرد که محبوب ترین و گسترده ترین طبقه بندی است. با این وجود، طبقه بندی های جایگزین مانند طبقه بندی بر اساس اندازه سلولی نیز می تواند اعمال گردد.
سنتز PUF یک پدیده پیچیده و پویا بوده که چندین فرآیند از جمله پلیمریزاسیون و انبساط فوم را ترکیب می کند. پلیمریزاسیون در طی واکنش گرمازا بین گروه های هیدروکسیل در پلی ال و گروه های ایزوسیانات در دی ایزوسیانات (واکنش پلیمریزاسیون مرحله ای) رخ می دهد. متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI)، تولوئن دی ایزوسیانات (TDI ) و مشتقات آن ها پرمصرف ترین ایزوسیانات ها بوده، در حالی که پلی اترها و پلی استرها با پایانه هیدروکسیل پرمصرف ترین پلی ال ها محسوب می شوند. خواص محصول بهدستآمده بهطور چشمگیری به تعادل سگمنتهای سخت و نرم زنجیره PU بستگی داشته که معمولاً بهترتیب توسط دی ایزوسیانات آروماتیک و پلیاتر یا پلی استر پلیال ارائه میشوند. “سختی” سگمنت های سخت به دلیل پیوند هیدروژنی بین گروه های یورتان / اوره است. بنابراین، به عنوان مثال، وجود سگمنت های سخت باعث می شود فوم سفت تر شود، در حالی که سگمنت های نرم به کشسانی آن کمک می کنند.
انبساط فوم با وارد کردن گاز فوم زا (فاز ناپیوسته) به یک ماتریس پلیمری (فاز پیوسته)، یا با افزودن یک عامل فوم زای شیمیایی (مانند H2O، اسیدهای بازی، ترکیبات آلی قابل انولیزاسیون) انجام میشود تا CO2 یا N2 شیمیایی تولید گردد و یا با افزودن ماده فوم زای فیزیکی/افزودنی های فرار با نقطه جوش پایین (مانند کلروفلوئوروهیدروکربن ها، هیدروفلوئوروکربن ها، استون، هگزان، پنتان و متیلن کلراید) این مواد تولید می شوند. از آنجایی که پلیمریزاسیون و دمیدن همزمان اتفاق میافتند، نقش کاتالیزور (معمولاً توسط آمینها یا قلع ارائه میشود) برای حفظ تعادل مناسب بین این فرآیندها اهمیت دارد. علاوه بر متغیر پلی ال و دی ایزوسیانات و همچنین نسبت ترکیب آن ها، راه های زیادی برای کنترل قابل توجه خواص PUF وجود دارد. به عنوان مثال، اندازه مولکول پلیال (از این رو، انعطافپذیری آن) و تعداد گروههای هیدروکسیل فعال در هر مولکول، درجه اتصال متقاطع بین زنجیرهها و سفتی فوم را کنترل میکنند. قابل توجه است، درجه بالاتر اتصال متقابل منجر به استحکام بالاتر می گردد. پیوندهای متقاطع اضافی را می توان با اتصال دهنده ها و توسعه دهنده های زنجیره ای ایجاد کرد. بدیهی است که شرایط سنتز شامل دما و رطوبت و همچنین تکنیک های سنتز، به عنوان مثال، ریخته گری محلول، رسوب و سنتز درجا، به طور قابل توجهی بر خواص PUF حاصل تأثیر می گذارد.
در نتیجه انتخاب گسترده ای از معرف های اولیه و روش ها برای سنتز PUF، تعداد زیادی فوم با خواص مختلف تولید می کند که به نوبه خود آن ها را در بسیاری از زمینه های صنعت و محصولات مصرفی ضروری کرده است. خواصی مانند وزن کم، عایق صدا و انرژی، استحکام کششی بالا و قابلیت پردازش آسان، PUF را به یک ماده محبوب در تولید عایق حرارتی و مصالح ساختمانی تبدیل کرده است. بدیهی است که به دلیل ساختار متخلخل آن، PUF می تواند به عنوان یک جاذب موثر (به عنوان مثال، در مکان های نشت نفت، تصفیه فاضلاب و جذب CO2) استفاده گردد. علاوه بر این، به دلیل زیست سازگاری بالای PU، فوم های آن برای کاربردهای خاصی در زیست پزشکی استفاده شده است. PUF های ویسکوالاستیک دارای ویژگی “حافظه شکلی” بوده و به طور گسترده در مبلمان، تولید کفش و همچنین صنایع هوافضا و خودرو استفاده می گردند. در بررسی های اخیر توضیحات دقیق تری از کاربردهای PUF در صنعت ارائه شده است.
با این حال، علیرغم استفاده زیاد PUF ها در مصرف خانگی و صنعت، استفاده از آن ها هنوز به دلیل برخی از معایب خاص محدود می شود. می توان گفت، جدی ترین مشکل PUF ها این است که بسیار قابل اشتعال هستند، که با انتشار گازهای بسیار سمی و قابل احتراق (مانند CO و HCN) و دود همراه است.
سوزاندن PUF فرآیند پیچیده ای است که شامل مراحل مختلفی می باشد. با این حال، سه مرحله اصلی عبارتند از: تجزیه حرارتی، اشتعال و احتراق. قبل از اشتعال PUF، تفکیک پیوندهای شیمیایی مختلف در دماهای مختلف (اول، در سگمنت های سخت زنجیره PU، سپس در سگمنت های نرم) و تشکیل گازها و رادیکال های قابل اشتعال انجام می شود. احتراق فقط در حضور مقدار کافی اکسیژن اتفاق میافتد و با تشکیل محصولات گازی (گازهای قابل احتراق و غیر قابل احتراق) و جامد همراه است. این محصولات با دانسیته فوم، سطح دما و سرعت افزایش دما متفاوت هستند. اشتعال پذیری PUF ها با افزایش دمای گازهای تشکیل شده و در نتیجه افزایش انتقال حرارت از منطقه احتراق به مواد مجاور تحریک می شود. این امر تجزیه و احتراق بیشتر PU را حفظ می کند که منجر به انتشار شعله می گردد. تفکیک پیوندهای شیمیایی در دمای بالا با تشکیل رادیکال های آزاد همراه است که فرآیند سوختن را حفظ و تقویت می کند. بدیهی است که PUFهای سلول باز فلکسیبل به دلیل انتقال نسبتاً آزاد هوا در داخل فوم مستعد گسترش سریعتر آتش هستند. قابل توجه است که دانسیته PUF یکی دیگر از عوامل مهم در انتشار شعله است.
بازدارنده های شعله:
خوشبختانه، مقاومت ضعیف PUF در برابر آتش را می توان با استفاده از مواد بازدارنده شعله (FRs ) غلبه کرد. FR ها جزء ضروری مواد تجاری و مدرن مبتنی بر PUF برای کاربردهای صنعتی هستند. به طور خاص، علاقه به افزایش مقاومت در برابر آتش PUF وجود دارد که با تعداد قابل توجهی از مقالات در مورد این موضوع نشان داده شده است. از نظر تاریخی، ترکیبات حاوی هالوژن اولین FRهایی بودند که برای PUF ها اعمال شدند. با این وجود، بدتر شدن خواص مکانیکی PUF و مسائل زیست محیطی مرتبط منجر به ظهور FR های بدون هالوژن بر اساس ترکیبات آلی و معدنی فسفر و نیتروژن شده است. این ترکیبات حتی نسبت به FR های حاوی هالوژن دارای مقاومت در برابر آتش بالاتری هستند. با این حال، آن ها عاری از مشکلات نیستند (به عنوان مثال، رطوبت سنجی بالای برخی از FR های حاوی فسفر به طور قابل توجهی PUF های مقاوم در برابر آتش را پیچیده می کند). FR های مختلف بسته به ماهیت و روش استفاده شده برای ادغام آن ها در فوم، متفاوت عمل می کنند. واکنش های FR شامل فرایند های فیزیکی و شیمیایی یا ادغام هر دوی آن هاست. فرآیندهای فیزیکی شامل اثر مذاب قطره، تجزیه گرماگیر FR در دماهای بالا منجر به کاهش دمای کلی (هیدراتهای آلومینیوم/منیزیم) و محافظت حرارتی از طریق تشکیل یک لایه زغال سنگ است که پلیمر نسوخته را از انتشار آتش جدا میکند.) در همین حال، فرآیندهای شیمیایی شامل انتشار گازهای غیرقابل اشتعال (CO2 یا N2 ) است که O2 و سایر گازهای قابل اشتعال را رقیق کرده و سوختن را کند کرده و خاموش کردن رادیکال فاز گاز را کاهش می دهد که به تولید رادیکال های FR اشاره دارد و از این رو، اکسیداسیون رادیکال PUF را به تاخیر می اندازد. طبقه بندی های متعددی از FR ها وجود دارد. مواد را می توان به مواد مقاوم در برابر آتش (چقدر مواد ساختار و خواص مکانیکی خود را حفظ می کنند) و مواد واکنش پذیر در برابر آتش (نحوه واکنش مواد به آتش، به عنوان مثال، مانع توسعه آتش با حذف یکی از عناصرچرخه ی سوخت،گرما،اکسیژن) تقسیم کرد. FR ها را نیز می توان بر اساس نوع افزودنی طبقه بندی کرد: FR های هالوژن دار، FR های حاوی فسفردار، FR های آلی و غیره. با این حال، طبقه بندی بر اساس تکنیک مورد استفاده برای ترکیب FR ها در ساختار PUF گسترده تر است(شکل ۲). FRها به سه گروه تقسیم میشوند: بازدارندههای آتش واکنشی (RFR)، بازدارندههای آتش افزودنی(AFR ) و بازدارندههای آتش پوششی (CFRs).
RFR ها به دلیل وجود گروه های عاملی مختلف هیدروکسیل، آمین و اپوکسی با معرف های شروع کننده (به ویژه با ایزوسیانات) پیوند کووالانسی ایجاد می کنند. از این رو، RFR ها در زنجیره پلیمری گنجانده می شوند که از یک سو منجر به پراکندگی افزودنی بهتر می شود و از راندمان بازدارندگی یکنواخت آتش اطمینان حاصل می کند و از سوی دیگر تأثیر ناچیزی بر خواص مکانیکی محصول نهایی دارد. برخلاف AFR ها و CFR ها، FR های واکنش پذیر به دلیل پیوند شیمیایی قابل اعتماد با ماتریس PU نمی توانند از ماتریس پلیمری در طول بهره برداری و سوزاندن فوم مهاجرت کنند. علاوه بر این، استفاده از RFR ها مستلزم تدوین فرمولاسیون جدید تولید PUF است که منجر به افزایش قیمت محصول نهایی می گردد. AFR ها و CFR ها تنوع ساختاری بالاتری را ارائه می دهند و با مواد PUF واکنش نشان نمی دهند. از آنجایی که PUF اصلاح شده حاوی دو یا چند ماده مختلف است، می توان آن را فوم کامپوزیتی در نظر گرفت. AFR ها معمولاً در یکی از معرف های شروع کننده PUF پراکنده می شوند، در حالی که پوشش های FR پس از پخت فوم تشکیل می شوند (شکل ۲ را ببینید). CFR ها را می توان با استفاده از پوشش غوطه وری، مونتاژ لایه به لایه (LbL)، تکنیک سل-ژل (SG) و غیره روی سطح پلیمری رسوب داد. یک لایه CFR معمولا به عنوان یک مانع فیزیکی برای انتشار گرما و گاز قابل احتراق عمل می کند، در حالی که عملکرد AFR پیچیده تر است. کاربرد AFR به وزن نسبتاً زیاد FR (بیش از ۵۰ درصد وزنی) نیاز دارد تا به طور قابل توجهی بر مقاومت در برابر آتش PUF تأثیر بگذارد. گاهی اوقات، چنین محتوای عظیمی از FR منجر به بدتر شدن قابل توجه خواص مکانیکی PUF و هدایت حرارتی می گردد.
در طول دو دهه گذشته، توجه زیادی به نانومواد مصنوعی و طبیعی به عنوان اجزای سازگار با محیط زیست و پایدار در مواد پلیمری جلب شده است. PUF های اصلاح شده با اجزای مختلف در مقیاس نانو حداقل از دو فاز تشکیل شده اند و بنابراین می توان آن ها را به عنوان فوم های نانوکامپوزیتی در نظر گرفت. بر اساس بسیاری از گزارشات، ترکیب نانومواد می تواند به طور قابل توجهی خواص مکانیکی PUF، پایداری حرارتی، جذب صدا و بازدارندگی شعله را بهبود بخشد. به عنوان مثال، استفاده از نانولولههای کربنی (CNTs ) ویژگیهای نسوز PUF را با کاهش سرعت انتشار گرما، انتقال جرم و انرژی و همچنین خواص مکانیکی افزایش میدهد. نکته مهم این است که استفاده از اجزای مقیاس نانو در ترکیب با FR های سنتی می تواند منجر به یک اثر هم افزایی شود که باعث بهبود شعله کلی فوم نانوکامپوزیت نهایی می گردد. به طور خلاصه، استفاده از اجزای در اندازه نانو یک رویکرد جدید برای بهبود PUF چند منظوره است و بنابراین، نانومواد را میتوان به عنوان AFR و CFR چشمانداز در نظر گرفت.
بدون دیدگاه