هنگام صحبت در مورد PU، پایداری حرارتی و رفتار آن ها در برابر شعله باید همیشه در نظر گرفته شود، زیرا تهدیدی برای سلامت محصول و سلامتی انسان محسوب می شوند. فوم های PU فلکسیبل با دانسیته کم و سلول باز دارای سطح وسیع و نفوذپذیری بالا در برابر هوا هستند. بنابراین، آن ها به راحتی قابل اشتعال بوده و گزارش شده اند که خطرات آتش سوزی جدی را هم در حین تولید و هم در هنگام استفاده ایجاد می کنند. تاخیرانداز شعله PU ها بیشتر در تشک ها، بالشتک های مبلمان، بسته بندی و محصولات مورد استفاده در زمینه های ساختمانی مورد نیاز هستند. تجزیه حرارتی PU ها شامل واکنش های تجزیه متفاوت بوده و این یک فرآیند ناهمگن محسوب می شود. پایداری حرارتی و اشتعال فوم های PU معمولی عمدتاً به ترکیب آن ها بستگی دارد. در واقع اشتعال، نتیجه تشکیل مواد کوچک فرار به دلیل تجزیه ناشی از حرارت است. مولکول های کوچک تجزیه شده تبخیر شده، در ناحیه شعله بالای سطح پلیمر پخش می شوند و با هوا مخلوط شده و مخلوطی قابل احتراق را تشکیل می دهند. اتصالات فوم PU، هنگامی که در معرض حرارت قرار می گیرند، در محدوده دماهای مختلف، که در جدول ۱ نشان داده شده است، جدا می شوند.
هنگامی که ذرات فرار تبخیر می شوند و دمای سیستم به حد معینی می رسد، فوم PU شروع به سوختن می کند. احتراق فوم های PU در حضور مقدار کافی اکسیژن رخ می دهد. در واقع، یکی دیگر از ویژگی‌هایی که بر اشتعال فوم‌های PU تأثیر می‌گذارد، دانستیه آن‌ها است: پایداری حرارتی با کاهش دانستیه فوم کاهش می‌یابد، زیرا تشکیل گاز قابل احتراق آسان‌تر بوده و اکسیژن در دسترس‌تر می‌شود. بسته به متغیرهای دیگری مانند ترکیب پلیمر و سرعت افزایش دما، چهار نوع محصول را می توان در حین احتراق تولید کرد: ۱) گازهای قابل احتراق، ۲) گازهای غیر قابل احتراق، ۳) ذرات جامد و ۴) زغال کربنی
پس از آن، به دلیل گرمازا بودن واکنش ها، دمای گازهای قابل احتراق و غیر قابل احتراق افزایش یافته و منجر به تجزیه بیشتر و در نتیجه انتشار شعله می گردد. در نهایت، فرآیند احتراق به پایان می رسد و ماده ای با مورفولوژی متفاوت از قبل باقی می ماند. فوم های PU در طول احتراق مقادیر زیادی دود تولید می کنند و سمیت تجزیه حرارتی و محصولات احتراق به شدت در مقالات مستند شده است. جدای از زنجیره PU ، وجود N2، NOx، CO، CO2، H2O، C6H5CH3 و HCN در بسیاری از مطالعات شناسایی شده است. سرعت تکامل این گازها به شدت به دما بستگی دارد. سمیت گازها عمدتاً به مقدار CO و HCN بستگی داشته، که CO در ابتدای احتراق آزاد شده، در حالی که HCN در دماهای بالاتر آزاد می گردد. در واقع، در دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد، بنزونیتریل و هیدروژن سیانید (HCN ) غالب می شوند و در ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، تقریبا ۷۰ درصد از نیتروژن موجود فوم به HCN تبدیل می گردد. افزودن FR به شدت آزادسازی مونوکسید کربن (CO ) و HCN را کاهش می دهد. مطالعات مربوط به اثرات این گازها بر سلامت انسان نشان داد که HCN بسیار سریع در خون جذب شده و از فرآیندهای طبیعی اکسیداسیون بافت جلوگیری می کند و مرکز تنفسی مغز را فلج کرده و در نتیجه منجر به مرگ می شود. از سوی دیگر، سمیت CO به این واقعیت مربوط می شود که هموگلوبین ۲۰۰-۳۰۰ برابر میل ترکیبی بیشتری نسبت به CO نسبت به O2 نشان می دهد. هنگامی که CO تنفس می شود، ظرفیت حمل O2 خون را کاهش می دهد، همچنین در این مورد منجر به مرگ می شود.
پایداری حرارتی و مقاومت اشتعال پذیری فوم های PU را می توان با افزودن FR به سیستم افزایش داد، که می تواند عمدتاً به سه روش مختلف با فوم ها ترکیب شود:
۱. ادغام مواد افزودنی FR به فوم در مرحله ترکیب.
۲. افزودن ترکیبات واکنش پذیر FR حاوی گروه های عاملی که از نظر شیمیایی به زنجیره پلیمری متصل می شوند.
۳. افزودن پوشش FR روی سطح فوم.
FR می تواند در فاز متراکم کار کند، که منجر به یک ذغال محافظ روی سطح فوم PU می گردد. طیف گسترده ای از FR امروزه برای دادن خواص تاخیرانداز شعله به فوم های PU استفاده می شود و انتخاب آن بستگی به زمینه کاربرد، قیمت و مقررات ایمنی محیطی و آتش سوزی دارد. برخی از متداول ترین FR های مورد استفاده ترکیبات آلی فسفر، هالوژن، پرکننده های معدنی/آلی و افزودنی های غیر فسفری هستند. بسیاری از FR های مبتنی بر هالوژن، امروزه به دلیل سمیت احتمالی و مسائل زیست محیطی تحت بررسی هستند. بنابراین، تحقیقات صنعتی و دانشگاهی FR در فوم‌های PU اکنون یک چالش علمی بزرگ است. علی‌رغم محدودیت‌های تولید بیشتر و استفاده از افزودنی‌های هالوژن FR، در برخی از کشورها محصولاتی که قبلاً با مواد بازدارنده ممنوعه ساخته شده بودند، هنوز مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، ترکیبات هالوژنه هنوز هم به همراه ترکیبات آلی فسفر مورد استفاده قرار می گیرند، حتی اگر احتمال انتشار دودهای سمی در حین احتراق وجود داشته باشد. این موضوع به این واقعیت مربوط می شود که سایر FR های آلی یا افزودنی های معدنی هنوز با ترکیبات هالوژنه و ترکیبات فسفر بهتر عمل می کنند. با توجه به همه این دلایل، برای به دست آوردن فوم های PU فلکسیبل با کارایی بالا، اغلب نیاز به استفاده از مقادیر زیاد مواد افزودنی داشته که منجر به هزینه های بالاتر، مشکلات فرآیندپذیری و کاهش خواص فیزیکی محصول نهایی می گردد.
واکنش به آزمایش آتش:
برای مشخص کردن عملکرد پلیمرها در برابر آتش، برخی از پارامترها مانند اشتعال پذیری، گسترش شعله و انتشار حرارت باید ارزیابی شوند. بسته به ماده پلیمری، آزمایش‌های مختلفی انجام می‌شود و پرکاربردترین آن‌ها عبارتند از: تست سوزاندن عمودی UL 94، آزمایش شاخص اکسیژن محدود (LOI ) و کالری‌سنجی مخروطی.
مطالعه بیشتر: روش های سنتز صنعتی برای لاستیک الاستومرهای پلی یورتانی
۱. تست سوزاندن عمودی UL 94:
این آزمایش، اشتعال پذیری و گسترش شعله مواد پلیمری در معرض شعله کوچک را اندازه گیری می کند. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، نمونه به صورت عمودی نصب شده و یک لایه پنبه ای در انتهای پایین دستگاه قرار می گیرد تا قطرات شعله ور احتمالی را بگیرد.
آزمایش بر روی پنج نمونه انجام می شود. شعله در نمونه فوم به مدت ۱۰ ثانیه اعمال می گردد و اگر رفتار خود خاموش شونده مشاهده شد، برنامه بعدی مجدداً برای ۱۰ ثانیه انجام می شود. زمان کل سوختن برای همه نمونه ها، سرعت احتراق و وجود یا عدم وجود قطره های سوزان برای هر نمونه ارزیابی می شود. با توجه به نتایج به دست آمده، مواد به یکی از سه دسته (V-0، V-1 و V-2) که در جدول ۲ نشان داده شده است، طبقه بندی می شوند.
۲. تست LOI:
این رایج ترین تست مورد استفاده در مقیاس آزمایشگاهی است. حداقل غلظت اکسیژن در نیتروژن، که از احتراق مواد پلیمری برای حداقل ۳ دقیقه یا برای مصرف ۵ سانتی متر از نمونه پشتیبانی می کند، ارزیابی می شود.
هرچه LOI بالاتر باشد، اکسیژن بیشتری مورد نیاز بوده و ماده در برابر آتش مقاوم‌تر است. اگر LOI> 21 باشد (از آنجایی که هوا حاوی ۲۱٪ اکسیژن است)، این ماده رفتار خود خاموش شوندگی نشان می دهد، زیرا احتراق آن ها بدون مشارکت منابع انرژی خارجی قابل حفظ نیست. تجهیزات برای آزمایش در شکل ۲ نشان داده شده است و شامل یک لوله شیشه ای بوده که نمونه به صورت عمودی در آن نصب شده است. یک جریان مخلوط O2 و N2 از پایین لوله تامین می شود در حالی که یک شعله به بالای نمونه اعمال شده تا آن را مشتعل کند.
۳. کالریمتری مخروطی:
کالریمتری مخروطی یک روش پیچیده است که با اندازه‌گیری نرخ آزادسازی حرارت (HRR)، پیک انتشار گرما (pHRR)، زمان اشتعال (TTI)، گرمای آزاد شده (THR)، نرخ از دست دادن جرم (MLR ) و اوج نرخ از دست دادن جرم (pMLR) کل واکنش به آتش گیری مواد را به روش کمی مشخص می‌کند. کالریمتری مخروطی برای تجزیه و تحلیل دودهای آزاد شده توسط نمونه مهم است. نمونه قرار می گیرد و از بالا توسط یک هیتر الکتریکی تابشی مخروطی تابش صورت می گیرد. احتراق توسط یک جرقه الکتریکی ایجاد شده که گازهای آزاد شده توسط نمونه گرم شده را مشتعل می کند.
بدون دیدگاه