منسوجات و پوشش های مقاوم حرارتی ۳

منسوجات و پوشش‌های مقاوم حرارتی ۳

علی صفوی، پیمان آقا سیلو

دکترای مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

و مجتمع تحقیق و توسعه شهید میثمی

 

قسمت سوم: فرایندهای تکمیلی

چکیده

در قسمت دوم از سری مقالات منسوجات و پوشش­های مقاوم در برابر حرارت، به فرایند و نحوه رفتار حرارتی الیاف طبیعی و مصنوعی و تفاوت بین آنها پرداخته شد. در این مفاله و در ادامه مبحث پوشش­های مقاوم حرارتی، فرایندهای تکمیلی مقاوم کننده بر روی پوشش­ها و منسوجات مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

مقدمه

جهت بهبود خواص حرارتی پلیمرها و منسوجات به دو صورت عمل می­شود یا در فرآیند سنتز و تولید، تغییراتی داده می­شود تا خصوصیات مورد نظر ایجاد گردد و یا اینکه پس از تولید، روش­های تکمیلی در این جهت بکار می­روند. در مورد منسوجاتی که دارای کاربرد عادی و معمول هستند غالباً از همین روش اخیر استفاده می­گردد زیرا مقرون به صرفه، ساده و کاملاً کارا هستند. از سوی دیگر این روش­ها تاثیر کمتری بر سایر خواص منسوج داشته و همراه با بسیاری از فرآیندهای تکمیلی که به طور معمول بر روی این بسترها انجام می­گیرد قابل اعمال هستند.

در فرآیندهای تکمیلی از موادی جهت لایه نشانی و تغییر ساختار سطح منسوج استفاده می­گردد. چنانکه پیش­تر نیز ذکر شد این مواد نه با هدف ایجاد یک خاصیت ضد شعله دائمی و ذاتی که تنها در جهت کاهش سرعت گسترش شعله، به تاخیر انداختن اشتعال، کاهش حرارت ایجادی در اثر اشتعال و در نهایت کاهش خسارات ناشی از مواجهه با شعله­ها و حرارت­های با دمای بالا صورت می­گیرند. زیرا ایجاد خاصیت ضد شعله کامل در یک بستر نیازمند ایجاد تغییراتی ساختاری در آن است که این مساله با طبیعت الیاف طبیعی و مصنوعی مرسوم که در غالب کالاهای اطراف ما مشاهده می­گردند سازگار نیست. طبیعت این مواد و ساختار زنجیره­های مولکولی در آن­ها به گونه­ای است که با اعمال هرگونه حرارت و دمایی بیش از ۳۰۰ درجه سانتی گراد دچار تغییراتی برگشت ناپذیر و تخریبی می­گردند که مکانیزم این تخریب در بخش­های قبل شرح داده شد. از این رو برای ایجاد چنین خاصیتی لازم است که گروه­هایی با خاصیت مقاومت در برابر شعله را به آن­ها افزود که این روش بسیار پر هزینه بوده و بر پیچیدگی کار نیز می­افزاید از طرفی بر سایر خواص محصول نیز می تواند تاثیر گذار باشد و این در حالی است که در بسیار از کاربردها نیاز به صرف چنین هزینه­ای برای رسیدن به خواص ذاتی نیست زیرا از طریق انجام تکمیل­های مناسب می­توان با صرف هزینه و انرژی کمتر به چنین خواصی در حد مطلوب و مورد قبول دست یافت.

مقاوم­های حرارتی، مواد شیمیایی هستند که به مواد قابل اشتعال افزوده شده و آ­نها را در مقابل شعله مقاومتر می‌نمایند و خطر آتش سوزی را در صورت تماس با منابع حرارتی کوچک مثل جرقه یا سیگار کاهش می­دهند. این مواد در صورتی که در کنار یک ماده شعله­ور قرار گیرند سرعت احتراق را کاهش داده و اغلب از انتشار آتش جلوگیری می­نمایند. به این نکته نیز باید توجه شود که در احتراق علاوه بر خصوصیات ماده، ضخامت و جهت گیری شعله نیز اهمیت فراوانی دارد.

در ادامه برخی فرایندهای تکمیلی معرفی می­گردند.

ترکیبات هالوژنه

این ترکیبات تا مدت­ها قبل به عنوان بازدارنده­های معمول شناخته می­شدند. حدوداً ۷۵ درصد از این بازدارنده­های تجاری، از نوع برمی (BFRs) و مقداری نیز کلری هستند. مکانیزم عمل آن­ها سرکوب واکنش­های رادیکال در ناحیه شعله است. آن­ها به شکل­های مختلفی مانند: مایع، پودر و یا قرص در دسترس هستند. حدوداً ۵۰ درصد استفاده از BFR در تجهیزات الکترونیکی است. به عنوان مثال تخته مدارات چاپی از رزین اپوکسی قابل اشتعال تهیه می­شود که بوسیله TBBPA (tetrabromobisphenol-A) مقاوم می­شوند. همچنین می­توان از آنها در پوشش­دهی پارچه‌های پرده­ای، صندلی و رومبلی و سیم و کابل سایر مصالح ساختمانی مانند فوم­های عایق استفاده نمود]۱۷[. آنتیموان تری  اکساید اغلب به همراه BRF یا پلیمرهای هالوژنه استفاده می­شود که یک اثر هم افزایی دارد. در این حالت واکنش­هایی در فاز گاز رخ می­دهد و در نتیجه مکانیزم زنجیرهای رادیکال هالوژنه را بهبود می دهد. از معروف‌ترین ترکیبات این گروه می­توان به Tetrabromobisphenol، Hexabromocyclododecane و Dechlorane اشاره نمود.

این ترکیبات از طریق تشکیل رادیکال­های هالوژن در فاز گاز جهت از بین بردن اکسیژن آزاد و رادیکال­های هیدروکسیل عمل می­نمایند و در فرآیند احتراق وقفه ایجاد می­کنند. با این حال به علت وجود مشکلات زیست محیطی توسعه این ترکیبات محدود شده است. این مساله مهم ترین عیب این ترکیبات است. چنانکه امروزه استفاده از بسیاری از این ترکیبات خصوصاً در ترکیب با آنتیموان تری اکسید توسط دولت­ها ممنوع اعلام شده است.

ترکیبات معدنی

آلومینیوم هیدروکسید به طور گسترده­ای به عنوان FR مورد استفاده قرار می­گیرد. این ترکیب ارزان قیمت است ولی نیاز به بارگذاری بالا تا ۶۰ درصد را دارد. مکانیزم مقاومت حرارتی آن انتشار آب است که موجب سرد و رقیق کردن منطقه شعله می­گردد. هیدروکسید منیزیم در جایی که نیاز به پایداری حرارتی بالاتری است (حدود ۳۰۰ درجه) مورد استفاده قرار می­گیرد. ریز رسوب این ترکیبات در مذاب پلیمری PVC یا پلی الفین­ها افزوده می­شود. این مواد در کابل­ها کاربرد بالایی دارند. همچنین در رزین­های گرما سخت نیز مورد استفاده قرار می­گیرند.

این ترکیبات کمتر در پوشش­های منسوج به کارگرفته می­شوند. به این دلیل که اولاً جهت داشتن تاثیری مطلوب نیاز به بار گذاری بالایی دارند که خواص بستر را کاملاً تحت تاثیر قرار می­دهد و از سوی دیگر استفاده آنها به تنهایی کارایی مطلوب را به نمایش نمی­گذارد و نیاز است تا با دیگر ترکیبات بازدارنده به طور مشترک مورد استفاده قرار گیرند. مکانیزم عمل این ترکیبات مطابق شکل ۱ است:

شکل۱- مکانیزم بازدارندگی عمل دو ترکیب معدنی در برابر شعله

همانطور که در شکل ۱ مشخص است، این ترکیبات معدنی در مواجهه با حرارت از طریق تجزیه و تولید محصولاتی نظیر آب و ترکیبات پایدار از نظر حرارتی مانع، از گسترش سریع شعله می­گردند و دمای آن را پایین می­آورند.

 

ترکیبات فسفری

امروزه این ترکیبات مهمترین نوع از بازدانده­های شعله را جهت بکارگیری در فرآیندهای تکمیلی بر روی بسترهای منسوج تشکیل می­دهند. در دهه­های اخیر، به دنبال مشکلات زیست محیطی ناشی از ترکیبات هالوژنه و نیز ترکیبات حاوی فرمالدهید که موجب ممنوع شدن بکارگیریشان شد بود، این ترکیبات گسترش فراوانی یافت و به سبب عمل نمودن در هر دو فاز گازی و متراک در فرایندهای ضد شعله کارایی بالایی را از خود نشان می‌دهند. خصوصاً در تکمیل بسترهای سلولزی با این ترکیب از طریق فسفریله نمودن بستر در حین اشتعال سرعت سوختن را بسیار پایین می آورند.

این ترکیبات همچنین دارای قیمت مناسبی هستند که کاربرد آن­ها را در صنایع مقرون به صرفه می­نماید. مهمترین ترکیبات این گروه شامل فسفات ها، فسفینات ها، فسفر قرمز و ترکیبات آن ها با آمونیوم هستند. به طور کلی مواد در حضور آتش و بالارفتن دما تجزیه شده و گازهایی قابل اشتعال از آن­ها خارج می­گردد. ترکیبات PFR با مکانیزم های عملکردی در فاز گاز و متراک اشتعال پذیری را کاهش می­دهند. در فاز گاز گاز از طریق بر همکنش با رادیکال­های OH و H+ و خنثی سازی آن­ها سرعت گسترش شعله را کم می­نمایند. این خاصیت وابسته به تعداد اتم های هالوژنه موجود در ترکیب است. در حالی که ترکیبات هالوژنه مثل BFRها در فاز گاز عمل می­نمایند. مشخص کردن یک ساز و کار برای توصیف عملکرد ترکیبات حاوی فسفر (PFR) امکان پذیر نیست. این ترکیبات مکانیزم عمل مختلفی دارند که عمدتاً در فاز متراکم است. زمانی که این ترکیبات حاوی فسفر حرارت می بینند یک فرم پلیمری از اسید فسفریک ایجاد می­گردد. این اسید موجب تشکیل لایه­ای زغالی (char) بر روی سطح شده و از نفوذ اکسیژن و خروج گازهای قابل اشتعال (که خود موجب کاهش جرم است) جلوگیری می­نماید. این لایه همچنین به عنوان یک عایق حرارتی نیز عمل می­نماید. ترکیبات فسفری که حاوی هالوژنه ها هم نیستند خود در فاز گاز عمل می نمایند. از این رو وارد کردن ترکیبات هالوژنه به ترکیبات PFR موجب یک اثر هم افزایی خواهد شد.

مقاوم کننده­های حرارتی در حین فرآیند سوختن از طریق تشکیل یک لایه حفاظتی کربونیزه شده با هدایت حرارتی پایین، شار انتقال حرارت را در جریان احتراق کاهش می­دهند. همچنین تشکیل این لایه مانع از خروج مواد فرار تولیدی در اثر اشتعال می­گردد که جلوگیری از کاهش جرم بستر را به دنبال دارد. تشکیل این لایه در حضور ترکیبات فسفری بهبود قابل توجهی می یابد. این لایه عایق حرارت بوده و مانع نفوذ شعله به بخش­های درونی­تر و گسترش آن به سایر نواحی می­گردد. در جریان احتراق و تجزیه این ترکیبات مواد پلی فسفریک آزاد می­شود که به صورت مانعی شیشه­ای عمل می­نمایند. ایجاد ترکیبات پلی فسفریک در جریان احتراق با گرفتن آب بستر روند تشکیل char را مطایق با شکل زیر بهبود می بخشند.

شکل۲- تشکیل لایه زغالی محافظ عایق حرارتی و ممانعت آن از خروج مواد فرار

نانوساختارهای معدنی

در دو دهه اخیر، نانوفناوری توجه بسیاری از محققان را در پژوهش­های صنعتی و آکادمیک به خود معطوف نموده است. در حوزه بازدارنده­های شعله نیز نانوذرات به سه شکل مورد استفاده قرار گرفته اند:۱) بکارگیری آن­ها درون الیاف مصنوعی ۲) استفاده از آن­ها در پشت پوشش دهی­های سنتی (back coating) 3) پوشش­های نانوذره‌ای.

ساده­ترین روش تکمیل بسترهای منسوج با نانوذرات غوطه وری منسوج درون محلولی حاوی نانوذرات معلق در آن است. در این حالت این ذرات در نقش عایقی عمل کرده که با کند نمودن فرآیند سوختن مانع از خروج محصولات فرار از بستر در حین سوختن شده و به نوعی تمایل به پیرولیز شدن و نه سوختن را در بستر زیرین ایجاد می­نمایند. نتایج پژوهش­ها نشان می­دهد که برای چنین محلول­هایی افزایش زمان غوطه­وری و نیز افزایش pH سبب بهبود نتایج حاصل از تست اشتعال پذیری شده و زمان جرقه زنی را افزایش می­دهد.  نتایج همچنین نشان دهنده آن است که اجرای عملیات پلاسما بر روس سطح بستر سبب افزایش جذب نانوذرات به بستر می­گردد. گفتنی است این نتایج برای هر دو الیاف طبیعی و مصنوعی صادق است.

حضور نانو ذرات معدنی و سرامیکی حرکات حرارتی زنجیرهای پلیمری را محدود می­کند و انتشار محصولات فرار تجزه در اثر حرارت را به تاخیر می­اندازد. این لایه charr غیر قابل اشتعال و ذرات نانو موجب کاهش نرخ آزاد شدن حرارت می­شود. میزان افزودن نانوذرات معدنی چون نانورس یک حد بهینه­ای را جهت تاثیر بر روی مقاومت حرارتی دارد با افزایش درصد نانوذرات از این مقدار بهینه علاوه بر آنکه تاثیر قابل توجهی بر روی خواص حرارتی نخواهد داشت، سبب تاثیری منفی بر سایر خصوصیات بسترر پلیمری خصوصا خواص مکانیکی آن می شود.

از جمله نانوذراتی معدنی و سرامیکی که در جهت ایجاد خواص حرارتی بهبود یافته به میزان بیشتری به کارگرفته می‌شوند می­توان به SiO2، TiO2، ZnO و مونت موریلونیت (نوعی نانورس) اشاره نمود. در مطالعه­ای که مانش و همکارانش انجام دادند افزودن نانوذرات رس به PET سبب افزایش پایداری حرارتی آن شد و چنانکه مشخص شده است با افزایش درصد نانو رس در دماهای بالاتر، الیاف جرم خود را از دست می­دهند. علت این موضوع حضور نانو رس به عنوان یک مانع حرارتی با پایداری بالا و نیز کمک به تشکیل charr در سطح الیاف است.

جدول۱- رفتار تجزیه حرارت برای نمونه های با درصد ترکیبات متفاوت

در مطالعه دیگری هم که منتظر و همکارانش انجام دادند حضور نانوذرات TiO2 سبب رسیدن به طول سوختگی پایین­تر و نیز کاهش جرم کمتری در مورد بستر سلولزی در حین احتراق گردید. گفتنی است که مطابق با نتایج این تحقیق که از غلظت­های ۲۵/۰، ۵/۰، ۷۵/۰ و یک درصدی TiO2 استفاده گردید که طبق نتایج بدست آمده غلظت ۵/۰ تقریباً کافی بوده و نتایج بهینه­ای را ایجاد نموده است.

مساله مهمی که در مورد نانو ذرات بکار رفته جهت بازدارندگی شعله، لازم در نظر گرفته شود این است که این ترکیبات همانند ترکیبات معدنی به تنهایی قادر به ایجاد یک خاصیت بازدارنده شعله کامل نیستند و برای آنکه بتوان بازده خوبی از این ترکیبات گرفت می­بایست تا در کنار سایر ترکیبات بازدارنده شیمیایی بکار گرفته شوند. به عبارتی این ترکیبات به عنوان یک عامل با اثر هم افزایی در کنار سایر ترکیبات بکار گرفته می­شوند. این مساله با نگاهی به تمامی پژوهش­های صورت گرفته بر روی این ساختارها قابل مشاهده است. در هیچ مطالعه­ای این ترکیبات نانوذره­ای به تنهایی برای رسیدن به خواص بازدارندگی شعله بکار نمی­روند. از این رو در ادامه این بخش بیشتر در مورد این نانوذرات صحبت می شود.

منابع : مراجعه شود به نشریه شماره ۳۱