رفتار حرارتی الیاف و پوشش‌ها ۲
رفتار حرارتی الیاف و پوشش‌ها
علی صفوی
دانشجوی دکترا مهندس شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر،تهران
مجتمع تحقیق و توسعه شهید میثمی
چکیده
در قسمت اول از سری مقالات منسوجات و پوششهای مقاوم در برابر حرارت، برخی تعاریف و مفاهیم مربوط به حوزه منسوجات مقاوم حرارتی معرفی گردید و در مقاله دوم با عنوان رفتار حرارتی الیاف و پوشش‌ها به معرفی برخی الیاف که دارای خاصیت ذاتی مقاومت حرارتی هستند، پرداخته شد. در این مقاله، فرایند و نحوه رفتار حرارتی الیاف طبیعی، مصنوعی و تفاوت بین آنها بررسی خواهد شد.
مقایسه رفتار حرارتی الیاف طبیعی و مصنوعی
نتایج آنالیز ترموگراویمتری شکل۱ نشان میدهد که منسوجات تولید شده از الیاف مصنوعی دارای char باقیمانده نهایی بالاتری نسبت به الیاف سلولزی طبیعی هستند. این مقدار برای منسوجات ترکیبی نیز بسته به میزان هرکدام از این دو نوع لیف به سمت یکی از آنها متمایل است. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که منسوجات تولید شده از الیاف مصنوعی نسبت به بازدارندههای طبیعی مناسبتر هستند؛ چرا که تمایل کمتری به تولید مواد فرار و گازی در اثر اعمال حرارت و بالعکس گرایش بیشتری به تولید char کربنی چسبنده دارند.
شکل۱- منحنی TGA و DTG برای چهار نمونه پارچه پنبه ای، پلی استری و پنبه/پلی استر
در راستای روند تجزیه حرارتی، این نکته قابل ذکر است که برهمکنشهای دی‌هیدراسیون در اثر اعمال حرارت، موجب تشکیل ساختارهای آلیفاتیک پایدار از نظر حرارتی(carbonaceous structure) یا به عبارت دیگر char نوع ۱ میگردد و در نهایت، ساختارهای آروماتیکی (char نوع ۲) با آب، متان، مونوکسید و دی اکسید کربن (در دمای ۴۰۰ الی ۶۰۰ درجه سانتیگرادی) تشکیل میگردد.char نوع ۲ میتواند تا دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد پایدار باقی بماند.
نتایج مطالعات چن و همکارانش در مورد رفتار حرارتی پارچههای پنبهای و نایلونی نیز به تایید مطالب یاد شده می‌پردازد. با توجه به منحنیTG سه پارچه خام موجود در شکل۲، مشاهده می‌نمایید که پارچه پنبهای در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد شروع به تجزیه نموده و در ۳۸۰ درجه سانتی گراد دچار یک افت شدید وزنی میگردد. در نهایت نیز در ۶۰۰ درجه سانتیگراد حدود ۹۶ درصد از جرم ابتدایی خود را در جریان تجزیه حرارتی از دست میدهد. همچنین، افت شدید وزنی برای نایلون در محدوده دمایی ۴۰۰ الی ۵۰۰ درجه سانتیگراد روی میدهد که در ۶۰۰ درجه سانتیگراد بیش از ۹۴ درصد از وزن خود را از دست میدهد. مطابق با نمودار، پارچه پنبه/نایلونی در محدوده دمایی ۳۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد افت وزنی دارد که کمترین کاهش وزن را به خود اختصاص داده است. همانطور که مشخص است در دمای نهایی (۶۰۰ درجه سانتیگراد) نیز میزان باقیمانده کربنی برای این پارچه نسبت به دو نمونه دیگر بالاتر است..
شکل۲ – منحنی TGA برای پارچه پنبه ای، نایلونی و پنبه/نایلون
در شکل۳، نرخ حرارت آزاد شده برای دو پارچه و در جدول۱، نرخ حرارت آزاد شده به همراه میزان باقیمانده کربنی برای سه پارچه آورده شده است. چنانکه قابل مشاهده است، میزان نرخ حرارت آزاد شده برای پارچه مخلوط پنبه/نایلون مناسبتر بوده و به پارچه پنبهای نزدیک‌تر است و از طرف دیگر میزان باقیمانده کربنی آن نیز به مراتب بیشتر از دو نمونه دیگر، خصوصاً نمونه نایلونی است. این موضوع به همراه نتایج TG نشان از برهمکنشی میان نایلون و پنبه در پارچه مخلوط دارد.
شکل۳- منحنی نرخ حرارت آزاد شده (HRR) برای دو نمونه پارچه
جدول۱- نرخ حرارت آزاد شده و میزان باقیمانده کربنی پس از سوختن برای سه نمونه پارچه
با توجه به نتایج حاصله، مشاهده می‌نمایید که هرچند باقیمانده کربنی حاصل از الیاف مصنوعی در انتهای اشتعال بیشتر است اما این نوع پارچهها دارای نرخ حرارت آزاد شده بسیار بالاتری هستند. از این رو، مطابق با نتایج جدول فوق، استفاده ترکیبی از این دو نوع لیف میتواند علاوه بر در اختیار قرار دادن باقیمانده کربنی بیشتر، موجب کاهش نرخ حرارت آزاد شده نیز گردد که این مساله در کاهش آسیبهای ناشی از سوختگی بسیار تاثیر گذار است.
استراتژی‌های بهبود ثبات حرارتی در پوشش‌ها
با توجه به اینکه در عمل، هرگز نمی‌توان پارچهای را تولید نمود که اصلاً آتش نگیرد، بنابراین، اهدافی که در این کار مورد نظر است عبارتند از:
- نقطه اشتعال الیاف بالاتر برود، بدین معنی که دمای بیشتری لازم باشد تا الیاف شروع به سوختن کنند.
- طول شعله‌ای که در اثر سوختن حاصل میشود، کم شود.
- با حذف منبع آتش، الیاف به سوختن ادامه ندهند.
- سرعت حرکت آتش بر روی کالا کاهش یابد.
در صورتی که اهداف بالا محقق گردد، کالا دیرتر آتش میگیرد که به دنبال آن، سرعت انتقال آتش کاهش می‌یابد و فرصت بیشتری برای مهار آتش ایجاد میگردد.
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؛ چرا که 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. با در نظر گرفتن مراحل تجزیه حرارتی پلیمرها و منسوجات روشهای مختلفی برای جلوگیری از احتراق و یا کند کردن آن پیشنهاد شده است که روشهای مزبور عبارتند از:
- روش سرد کردن: یعنی حذف حرارت بوسیله جاذب حرارت، که در این مرحله از نمکهای کریستالیزه شده استفاده میشود که در ضمن ذوب یا تبخیر، میزان کالری حرارتی زیادی مصرف میکنند و در نهایت باعث سردشدن گازهای پیرولیز میشوند اما مشکلی که دارند این است که مقدار کاربردی آنها در حدی است که زیردست پارچه تغییر میکند و حتی در مواقعی موجب تغییر ظاهر پارچه نیز میشود.
- روش پوششی: که در این روش عمل ضدآتش کردن بوسیله پوشاندن الیاف با یک ماده خمیری شکل و غیرقابل نفوذ به اکسیژن انجام میشود که معمولاً عملکرد براکس را جهت دفع آتش به این وسیله توجیه میکنند.
- ایجاد کردن خاکستر غیرقابل احتراق: معمولاً این عمل به کمک کاربرد سولفات‌ها یا فسفات‌ها انجام میشود.
- روش اختناق: یعنی در این روش با کاربرد برخی اجسام که در اثر حرارت گازهای غیرقابل احتراق تولید میکنند، آتش خفه میشود و عمل ضدآتش کردن صورت میگیرد؛ در نتیجه، عملکرد فسفات‌ها و سولفات‌ها و کربنات‌های آمونیوم را به این وسیله توجیه میکنند.
- انجام واکنشهای شیمیایی پلیمری که در آن تجزیه شیمیایی لیف اصلاح میشود.