نحوه عملکرد فوم های پلی یورتان ایمن در برابر آتش

فوم های پلی یورتان که برای اولین بار در سال ۱۹۵۴ معرفی شدند، به دلیل وزن کم، پایداری شیمیایی بالا و خواص عایق صوتی و حرارتی برجسته، به سرعت محبوب شدند. در حال حاضر فوم پلی یورتان به طور گسترده در محصولات صنعتی و خانگی کاربرد دارد. علیرغم پیشرفت فوق العاده در توسعه فرمولاسیون های مختلف فوم های پلی یورتان، استفاده از آن ها به دلیل قابلیت اشتعال بالا با مشکل مواجه شده است. افزودنی های بازدارنده شعله را می توان به فوم های پلی یورتان اضافه کرد تا خاصیت بازدارندگی آن ها را افزایش داد. مواد نانومقیاس به کار رفته به عنوان اجزای بازدارنده شعله فوم های پلی یورتان پتانسیل غلبه بر این مشکل را دارند. در اینجا، ما پیشرفت اخیر (۵ سال گذشته) را که در اصلاح فوم پلی یورتان با استفاده از نانومواد برای افزایش تاخیر شعله آن انجام شده است، مرور می کنیم.
علیرغم استفاده زیاد PUF ها در مصارف 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 متفاوت (اول، در سگمنت های سخت زنجیره PU، سپس در سگمنت های نرم) و تشکیل گازها و رادیکال های قابل اشتعال انجام می شود. احتراق پس از انتشار میانی اولی با هوا اتفاق می افتد. احتراق تنها در حضور مقدار کافی اکسیژن رخ می دهد و با تشکیل محصولات گازی (گازهای قابل احتراق و غیر قابل احتراق) و جامد (ذرات جامد وارد شده و زغال کربن) همراه است. این محصولات با ترکیب و چگالی 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 انعطاف پذیر به دلیل انتقال نسبتاً آزاد هوا در داخل فوم مستعد گسترش سریعتر آتش هستند. قابل توجه است که چگالی PUF یکی دیگر از عوامل مهم در انتشار شعله است.

بازدارنده های آتش:

خوشبختانه، مقاومت ضعیف PUF در برابر آتش را می توان با استفاده از مواد بازدارنده آتش (FRs ) بهبود بخشید. FR ها جزء ضروری مواد تجاری و مدرن مبتنی بر PUF برای کاربردهای صنعتی هستند. از نظر تاریخی، ترکیبات حاوی هالوژن اولین FRهایی بودند که برای PUF ها استفاده 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 اشکال نیستند (به عنوان مثال، جذب رطوبت 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. فعالیت های FR شامل فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی یا ترکیبی از آن ها است. فرآیندهای فیزیکی شامل اثر مذاب قطره، تجزیه گرماگیر FR در دماهای بالا منجر به کاهش دمای کلی (هیدرات‌های آلومینیوم/منیزیم) و محافظ 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 خاموش کردن رادیکال فاز گاز را کاهش می دهد که به تولید رادیکال های FR اشاره داشته که رادیکال های H· و OH· بسیار واکنش پذیر را جذب می کند.
طبقه بندی های متعددی از FR ها وجود دارد. به عنوان مثال، طبقه بندی بر اساس رفتار مواد در ارتباط با آتش ممکن است برای PUF های مقاوم در برابر آتش اعمال شود. بر اساس این طبقه بندی، 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 عناصر) تقسیم کرد. FR ها را می توان بر اساس نوع افزودنی نیز طبقه بندی کرد: FR های هالوژن دار، FR های حاوی فسفر، 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 واکنشی آتش (RFR)، مواد افزودنی بازدارنده آتش(AFR ) و پوشش‌دهنده‌های آتش (CFR).

RFR ها به دلیل وجود گروه های عاملی مختلف هیدروکسیل، آمینو 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 شده 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 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 داده 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 کامپوزیت در نظر گرفت. AFR ها معمولا در یکی از معرف های شروع کننده PUF پراکنده می شوند، در حالی که پوشش های FR پس از پخت فوم تشکیل می گردند (شکل ۲ را ببینید). CFR ها را می توان با استفاده از پوشش غوطه ور، مونتاژ لایه به لایه (LbL)، تکنیک سل-ژل (SG ) و غیره روی سطح پلیمری رسوب داد. یک لایه CFR معمولاً به عنوان یک مانع فیزیکی برای انتشار گرما و گازهای 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 خواص مکانیکی PUF و هدایت حرارتی می شود.
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 گزارش ها، 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 مقاومت در برابر شعله PUF را با کاهش سرعت انتشار گرما و 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 بازدارندگی شعله کلی فوم نانوکامپوزیت نهایی را بهبود می بخشد. به طور خلاصه، استفاده از اجزای در ابعاد نانو یک رویکرد جدید برای بهبود PUF چند منظوره است، و بنابراین، نانومواد را می توان به عنوان AFRs و CFR چشم انداز در نظر گرفت.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *