علی صفوی

دانشجوی دکترا مهندسی شیمی و نساجی علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی، قطب علمی و پژوهشکده نساجی،

دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران و مجتمع تحقیق و توسعه شهید میثمی

قسمت اول: مفاهیم و تعاریف

چکیده

منسوجات، عضوی جداناپذیر از زندگی انسان هستند. در هر مکان و شرایطی، ما محصولات نساجی نظیر پارچه­ها، پوشش­ها، نخ، طناب و الیاف را در کنار خود می­یابیم. با توجه به این که وابستگی زندگی انسان به این محصولات و حضور پررنگشان در زندگی امروزی بیش از هر زمان دیگریست، بنابراین افزایش کارایی منسوجات و تطبیق آن­ها با زندگی انسان از اهمیت بیشتری برخوردار می­گردد. در این راستا، لازم است برای افزایش بهره­وری و ایجاد کاربردهایی نوین و خواصی نظیر استحکام، مدول، مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی و بسیاری از دیگر خصوصیات الیاف، نخ و پارچه­ها را به عنوان اجزا تشکیل دهنده هر سازه منسوج بهبود دهیم. چرا که الیاف طبیعی و مصنوعی متداول و شناخته شده در این زمینه­ها دارای نواقص متعددی بودند.

از جمله خواصی که بهبود آن از اهمیت بالایی برخوردار است، می­توان به مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر شعله الیاف معمولی و پر کاربرد اشاره نمود. این اهمیت از آن جهت مشخص می­شود که در ابتدا، انسان می­بایست خود و سپس، سازه­ها و ابزارهای ساخته خود را در برابر خطرات محیطی، از جمله حرارت و آتش در شرایط مختلف محافظت نماید. مسلم است که در محافظت از افراد، استفاده از پوشش با چنین قابلیتی بسیار مناسب و کارآمد خواهد بود. بنابراین تولید منسوجی که چنین محافظتی را داشته باشد، ضروری است. اما چالشی که اینجا پیش روی محققان وجود دارد، آن است که سازه­های مرسوم مورد استفاده، از پایداری لازم برخوردار نیستند. برای این که یک پلیمر مقاوم در برابر حرارت و گرما تلقی شود، نباید در دماهای حدود ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی گراد تجزیه شود. هم چنین، باید خواص مکانیکی، شیمیایی و ساختاری مورد نیاز و سودمند خود را تا دماهای نزدیک به دمای تجزیه حفظ نماید. منسوجات مقاوم حرارتی به طور عمده در پوشاک و صنایع اتومبیل­سازی، صنایع هوا- فضا، عایق‌ها، انواع صافی­ها، خانگی و پوشش­های مخصوص مورد استفاده قرار می­گیرد. این پژوهش، اولین سری مقالات منسوجات و پوشش­های مقاوم در برابر حرارت می­باشد که در ادامه، برخی مفاهیم و تعاریف مربوطه ارائه خواهد شد.

شعله

شعله یا اخگر کوچک‌ترین شکل آتش است و شمع روشن نمونه خوبی از یک شعله ‌است. زمانی که شعله سر بکشد و شعله‌های دیگری پدید آورد، آن را آتش می‌نامیم. سر کشیدن و ازدیاد پرسرعت آتش، آتش‌سوزی یا حریق نام دارد. شعله زمانی ایجاد می‌شود که در اثر گرم شدن یک نقطه یا محل، گازهایی ایجاد شوند و آن گازها بسوزند. دمای شعله‌ها معمولاً بین ۳۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد قرار دارد.

جهت شروع و ادامه آتش سوزی و پایداری شعله، سه عامل زیر که به مثلث آتش معروف هستند و در شکل مشاهده می شود، نیاز است:

• سوخت (fuel)
• حرارت یا گرما (heat)
• اکسیژن (oxygen)

 

 

در جریان احتراق، سه عامل بالا با یکدیگر مرتبط هستند. برای مثال، در اشتعال یک پلیمر مراحل متعددی وجود دارد که شروع آن نیازمند یک منبع گرمایی است. در مرحله بعد، تجزیه پلیمر(منبع سوخت) شروع می­گردد که، یک فرآیند گرماگیر است به طوری که، جهت غلبه بر پیوندهای مولکولی انرژی مصرف می­گردد. در ادامه گازهای قابل اشتعال ایجاد می­شود که در اختلاط با هوا و اکسیژن سوخته و گرما آزاد می­نمایند. در این مرحله، شعله توسط رادیکالی­های H و OH با انرژی بالا حمایت شده و تغذیه می­گردد. حرارت آزاد شده، منجر به نفوذ شعله به بخش‌های دیگر بستر شده و موجب تداوم احتراق و گسترش آن می­شود. نمایی از این فرآیند در شکل۲ نشان داده شده است.

 

 

بررسی روند احتراق مواد مختلف نشان می­دهد که در ابتدا شعله کوچک بوده و به آرامی می­سوزد اما با گذشت زمان و پیشرفت شعله، سطح بیشتری از منبع سوخت در معرض شعله قرار گرفته و در یک زمان، حرارت ناشی از شعله و سرعت آن دوچندان می­گردد. نمایی از این روند در شکل ۳ زیر نمایش داده شده است.

 

دما و رنگ شعله، به مقدار زیادی از منبع سوختی شعله تاثیر می­پذیرد. هر چه منبع سبک­تر باشد (نظیر موم در شمع) مولکول­های سوختی در دمای پایین­تری تبخیر شده و می­سوزند. در این حالت، مولکول­ها با اکسیژن مخلوط شده و می­سوزند و گرما آزاد می­کنند. در این حالت، یک شعله مداوم خواهیم داشت. اما هنگامی ­که دمای اشتعال بالاست، مولکول­ها تجزیه شده و رادیکال­های آزاد رها شده و اکسید می­گردند. در سوختن هیدروکربن‌ها، مهم­­ترین عامل تعیین کننده نوع سوختن میزان اکسیژن در دسترس است. در نبود اکسیژن کافی، دود از شعله برخواسته و زرد رنگ می­سوزد. با افزایش میزان اکسیژن، رنگ شعله سفید و سپس آبی رنگ خواهد شد و بدون دود می­سوزد. دمای ناشی از سوختن برخی مواد در جدول زیر آورده شده است.

جدول۱- دمای سوختن برخی از مواد

Material burned	Max. flame temperature (°C, in air, diffusion flame)
Animal fat	۸۰۰–۹۰۰
Kerosene	۹۹۰
Wood	۱۰۲۷
Gasoline	۱۰۲۶
Methanol	۱۲۰۰
Charcoal (forced draft)	۱۳۹۰

گرمای احتراق

گرمای احتراق یک سوخت، مقدار گرمای حاصل از احتراق کامل آن سوخت می‌باشد. یک سوخت با انرژی کم، دارای بازده گرمایی کم در احتراق است، بنابراین قدرت کمتری در مقایسه با همان مقدار سوخت با ارزش بالا تولید می‌نماید. اهمیت این کیفیت، وابسته به مقدار هوایی است که سوخت بر اساس وزن یا حجم استفاده می‌کند.

 

نقطه اشتعال

نقطه اشتعال یا نقطه احتراق (Flash point) پایین­ترین دمایی است که در آن از ماده، بخاری قابل احتراق ساطع می‌شود. اندازه­گیری نقطه اشتعال نیازمند یک منبع احتراق است، زیرا با خارج کردن منبع احتراق از محل، بخار فوق‌الذکر آتش نخواهد گرفت.

باید به این نکته توجه نمود که نباید نقطه اشتعال را با دمای خود احتراقی اشتباه گرفت. در دمای خود احتراقی، نیازی به منبع احتراق وجود ندارد. نقطه اشتعال، دمای بالاتری است که در آن بخار پس از احتراق به سوختن ادامه می‌دهد. از نقطه اشتعال به عنوان ویژگی توصیفی مواد سوختنی مایع استفاده می­شود و پارامتری برای بیان خطرات اشتعال­پذیری مایعات است. نقطه اشتعال هم به مایعات قابل اشتعال و هم به مایعات قابل احتراق اشاره دارد؛ و برای هرکدام استانداردهای متفاوتی تعریف شده‌است. مایعاتی با نقطه اشتعال کمتر از ۵/۶۰ درجه سانتی­گراد، بسته به استانداردی که اعمال می‌گردد قابل اشتعال، و مایعاتی با نقطه اشتعال بالای این دما قابل احتراق تلقی می‌گردند.

هر مایعی دارای فشار بخار می‌باشد که تابع دمای آن مایع است. هرچه دما افزایش یابد فشار بخار نیز افزایش می‌یابد. هرچه میزان فشار بخار افزایش یابد تراکم بخار مایع قابل اشتعال در هوا نیز افزایش می‌یابد. از این رو دما تعیین کننده میزان تراکم بخار مایع قابل اشتعال در هوا می‌باشد.

میزان تراکم معینی از بخار موجود در هوا، جهت پایداری احتراق الزامی می‌باشد و این تراکم برای هر مایع قابل اشتعالی متفاوت است. نقطه اشتعال یک مایع قابل اشتعال پایین­ترین درجه‌ای است که در آن بخار قابل اشتعال به حد کافی برای احتراق، بوسیله منبع احتراق، موجود است.

 

اشتعال پذیری در پوشاک و منسوجات

همه پارچه­ها می­سوزند اما بعضی از آنها سریع­تر مشتعل می­شوند. پارچه­های بافته شده از مواد طبیعی همچون پارچه­های پنبه‌ای، کتانی و ابریشمی راحت­تر و سریع­تر از پارچه­های پشمی می­سوزند چون پارچه پشمی سخت­تر آتش می‎گیرد و آرام­تر می‎سوزد. این مساله نیز ناشی از ساختار مولکولی و درونی این الیاف است.

وزن و نوع بافت پارچه نیز بر سرعت اشتعال و سوختن پارچه تاثیر می­گذارد. پارچه­های فشرده (با تراکم بافت بالا) یا ریزبافت، پارچه­های مناسبی در این مورد هستند؛ این نوع پارچه­ها آرام­تر از پارچه­های سبک و درشت بافت با جنس مشابه می­سوزند.

بافت سطح پارچه نیز بر میزان اشتعال پذیری آن موثر است. پارچه‎های کرک­دار با پرزهای بلند سریع­تر از پارچه­های که دارای سطح سخت و ریزبافت هستند آتش می­گیرند و در بعضی موارد، آتش به سرعت به سرتاسر پارچه نوع اول منتقل می­شود.

بسیاری از الیاف مصنوعی مانند: نایلون، آکریلیک و پلی­استر در مقابل سوختن مقاوم هستند؛ اما وقتی آتش می‌گیرند، ذوب می‎شوند. این ماده ذوب شده داغ و چسبناک بوده و می­تواند موجب سوختگی­های موضعی و شدیدی گردد. اگر الیاف طبیعی و مصنوعی به هم آمیخته شوند، احتمال خطر بیشتر است زیرا میزان اشتعال پذیری بالای یکی و ذوب شدن دیگری، معمولاً منجر به سوختگی‎های شدیدتری می­شود.

سرعت سوختن منسوجات و سایر مواد داخل خانه را می‎توان با افزودن برخی مواد شیمیایی کاهش داد. اما باید توجه داشت که از پارچه­هایی که پس از تولید، با استفاده از این مواد شیمیایی در برابر سوختن مقاوم می­شوند، برای تولید لباس توصیه نمی­شوند.
طراحی لباس نیز می­تواند بر میزان اشتعال پذیری آن موثر باشد. لباس­های گشاد و بلند به راحتی آتش می‌گیرند و سریع­تر می‎سوزند، چون بیشتر از البسه جذب بدن، در معرض هوا قرار دارند. مواد ضد آتش به کار رفته در لباس­ها باید به روش خاصی شسته شود تا تاثیر ماده ضد آتش از بین نرود. این مواد را فقط باید با استفاده از شوینده‎های استاندارد شستشو داد. برچسب روی لباس­ها معمولاً اطلاعات کافی در مورد روش نگه­داری از آن لباس را در اختیار ما می­گذارد.

از نظر اشتعال پذیری، ابریشم با نرخ بالای سوختن، بدترین ماده است که با افزودن رنگ و سایر مواد به آن، میزان سوختن آن افزایش می­یابد. پنبه و کتان نیز به سرعت می­سوزند اما می­توان آهنگ سوختن آنها را با افزودن مواد شیمیایی ضد آتش کاهش داد. استات و تری استات هم مثل کتان یا اندکی کمتر از آن، قابل اشتعال هستند. اما می‌توان آنها را با مواد ضد آتش آغشته کرد و به موادی غیرقابل سوختن یا دیرسوز تبدیل نمود. نایلون، پلی­استر و مواد آکریلیک به آرامی مشتعل می­شوند اما وقتی آتش گرفتند، به شدت ذوب می­شوند و قطره قطره می­چکند. پشم به نسبت سایر الیاف دیرتر آتش می­گیرد؛ اگر آتش بگیرد معمولاً به آرامی می­سوزد و پس از مدتی خود خاموش می‌شود. فایبرگلاس (پشم شیشه) و مواد اکریلیک تقریباً غیرقابل اشتعال هستند. این الیاف مصنوعی به خاطر برخورداری از ویژگی­های دیرسوز بودن، استفاده می‌گردند.

 

افزایش پایداری حرارتی منسوجات

جهت کاهش اشتعال پذیری کالاهای نساجی راهکارهای متنوع و متفاوتی معرفی شده است. هر چند هدف تمامی این روش­ها، ایجاد خاصیت بازدارندگی در برابر شعله و ایجاد پایداری بالای حرارتی است اما دارای تمایزات بسیاری هستند. زیرا هر یک از این روش­ها با هدف دستیابی به میزان معینی از پایداری حرارتی در کنار سایر خواص محصولی با کارایی خاص پیشنهاد شده­اند. از این رو هر یک دارای عملکرد و ویژگی­های متفاوتی هستند. دست‌آوردهای این بخش چنان که گفته شد دارای سطوح مختلفی هستند، گاهی هدف کاهش اشتعال پذیری و سرعت گسترش شعله است اما گاهی در برخی از کاربردها نیازمند پایداری حرارتی در دماهای فوق بالا هستیم. از طرفی منسوج مقاوم به حرارت تولید شده، خود می­تواند دارای کاربری­های متعددی باشد، مثلاً به عنوان یک لباس محافظ و یا کف پوش استفاده گردد. آن چه مسلم است خصوصیات مورد انتظار از هریک از این محصولات یکسان نیست. به عنوان مثال: در یک لباس، وزن، انعطاف پذیری، راحتی و زیردست آن دارای اهمیت قابل توجهی است در حالی که چنین ویژگی‏هایی برای یک کف پوش در اولویت قرار ندارد.

قدیمی‌ترین آزمایشاتی که برای ضدآتش کردن منسوجات بکار گرفته شده و در منابع موجود است به چند قرن پیش برمی‌گردد که به‌ عنوان‌ مثال: از مخلوطی از براکس سولفات و سولفات آلومینیوم و یا ماده‌ دیگری که فسفات آلومینیوم نام داد، در جهت رسیدن به این ویژگی استفاده می­کردند که حتی در حال‌ حاضر نیز در برخی موارد این مواد همچنان به‌کار گرفته می‌شوند. اولین تحقیق سیستماتیکی که برای ایجاد خاصیت ضدآتش صورت گرفت بوسیله گیلوساک بود که در سال ۱۸۲۰ انجام گرفت و این دانشمند چنین نتیجه­گیری نمود که نمک‌هایی برای ضدآتش کردن موثرند که دارای نقطه ذوب پایینی باشند، هم‌چنین بتوانند سطح جسم را با یک لایه شیشه‌ای مانند بپوشانند و یا در روشی دیگر، مشاهده گردید که نمک‌هایی برای ضدآتش کردن موثرند که بتوانند گازهای غیراشتعال تولید نمایند. این دو نظریه، مبنای فکری تکمیل دفع آتش را برای سالیان سال تشکیل می‌داد که این نظریات در حال‌حاضر نیز مورد بحث هستند. نکته‌ای که بایستی در نظر گرفت این است که تکمیل دفع‌ آتش پارچه را نسوز نمی‌کند (نظیر آزبست) بلکه پس از تکمیل دفع‌ آتش پارچه مقاوم شده به ‌صورت ذغال در می‌آید و تجزیه می‌گردد بنابراین تکمیل دفع‌آتش را می‌توان بدین صورت تعریف کرد که پارچه‌ دفع ‌آتش شده عبارت است از پارچه‌ای است که شعله را در اطراف ناحیه‌ی ذغال‌شده گسترش نمی‌دهد.

در ضدآتش کردن دو پارامتر را باید در نظر داشت:

• جلوگیری از شعله
• از بین رفتن After glow

عمل ضد آتش کردن به طور عمده بر روی پارچه­های پنبه­ای صورت گرفته است و پارچه­های پشمی و ابریشمی کمتر نیاز به این عمل دارند زیرا این الیاف شعله را به آسانی پخش نمی­کنند. نتایج حاصل از ضد آتش کردن پنبه برای سایر الیاف گیاهی و سلولزی نظیر کتان، کنف و جوت و غیره و همچنین الیاف سلولزی بازیافته نظیر ویسکوز-پلی نوزیک یا کوپرآمونیوم نیز می­تواند به کار گرفته شود. جهت مشخص کردن میزان سوختن پارچه‌ها، دو محقق روشی برای نحوه سوختن و سرعت سوختن به کارگرفتند و آن عبارت بود از بریدن نواری از پارچه با عرض ۵/۲ و آویزان کردن این نوار در جهت طولی و به صورت عمودی که پس از آن لبه پارچه آتش زده می­شود و مشاهدات زیر صورت گرفته است::

• نوار پنبه­ای با ایجاد شعله­ای به طول ۸ اینچ به سرعت می­سوزد و ایجاد توده سیاه رنگ می­کند که شکل پارچه حفظ می‌شود اما در لبه­ها سرخ است. سرخی به تدریج در طول نوار جابجا می­شود و در انتها کل آن را می­سوزاند.
• پارچه کتانی مشابه فوق عمل می­نماید اما طول شعله کوتاهتر است.
• پشم ابتدا ذغال و سپس ذوب می­شود. لیکن در سوختن بعدی After glow مشاهده نمی­شود. ابریشم به روش مشابه پشم عمل می­نماید اما به نظر می­رسد که در دمای پایین­تری ذوب می­شود.

ترکیبات معدنی معمولاًً از انتشار شعله جلوگیری می­نمایند اما نمی­توانند مواد ضدآتش موثری در نظر گرفته شوند زیرا که مجبور هستیم که مقدار خیلی زیادی از این مواد را به پارچه اضافه کنیم که در این حالت پارچه خواص پوششی خودش را از دست می دهد.

 

مفهوم تکمیل دفع آتش

تکمیل دفع آتش عبارت است از عملی که از قابلیت اشتعال جسم قابل اشتعال جلوگیری می­کند و یا اینکه حداقل سرعت احتراق را از نظر درجه اشتعال به میزان کافی کند می­کند. بعضی از استانداردهای ممالک مختلف درجه اشتعال پذیری کالاها را مطابق زیر تقسیم بندی می­کنند:

• غیرقابل اشتعال
• به سختی قابل اشتعال
• به طور متوسط قابل اشتعال
• به آسانی قابل اشتعال

 

و ضمناً در بعضی از کشورها جهت پوشش کاربردی نساجی قوانینی برای اماکن عمومی و یا برخی از پوشاک­ها وضع شده است و مقررات اجباری برای آنها پیش بینی نموده­اند. به عنوان مثال پوشش داخلی سالن­های اجتماعات و لباس رانندگان اتومبیل­های مسابقه­­ای و یا لباس آتش­نشان­ها. اما به طور کلی در زمینه البسه و پوشاک مقررات اجباری قرار داده نشده است.

جهت تعیین و ارزیابی مقاومت کالای نساجی در برابر شعله و مقایسه کردن آن نسبت به کالاهایی که مورد تکمیل ضد شعله قرار نگرفته­اند مواردی را پیش­بینی کرده­اند که با کاربرد آن موارد می­توان مقایسه­ای برای دفع آتش نسبی کالاها به وجود آورد که موارد مذکور عبارتند از:

• سهولت اشتعال کالا
• سرعت انتشار شعله در کالا
• حرارت منتقل شده در ضمن احتراق
• میزان دود و گاز حاصل از احتراق
• ذوب شدن پلیمرهای سنیتیک و تشکیل قطره­های حاصل از آنها
• میزان سطح سوخته شده

 

لازم به ذکر است که جهت داشتن ارزیابی مناسب برای تعیین مقاومت نسبت به آتش می­توان از ۴ یا ۵ مورد اول استفاده کرد.