قسمت سوم: منسوجات و پوشش های مقاوم حرارتی

کاهش قابل ملاحظه اشتعال پذیری پارچه پنبه / پلی استری

با استفاده از یک ترکیب ضد آتش متورم شونده حاوی نانوذرات SiO_۲

علی صفوی

دانشکده مهندسی نساجی، قطب علمی و پژوهشکده نساجی، دانشگاه صنعتی

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

چکیده

در قسمت های قبلی از سری مقالات منسوجات و پوشش های مقاوم در برابر حرارت، مفاهیم، مواد و برخی روش های مقاوم سازی منسوحات در مقابل آتش و حرارت بیان گردید. در این مقاله نتایج حاصل از یک پژوهش انجام گرفته در زمینه فوق الذکر ارائه می گردد.

در این مقاله جهت افزایش مقاومت حرارتی، نمونه های پارچه پنبه/پلی استری به وسیله ترکیب ضد آتش متورم شونده حاوی نانوذرات SiO2 مورد تکمیل قرار گرفتند. مطابق با تصاویر SEM این تکمیل ضد آتش از طریق ایجاد لایه مقاوم کربنی در معرض شعله و حرارت های بالا بر روی سطح پارچه مانع از انتقال حرارت به بستر و رسیدن اکسیژن به محل اشتعال شده و از سوختگی آن به میزان قابل توجهی جلوگیری به عمل می‏آورد. نتایج آزمون های اشتعال پذیری و توزین حرارتی TGA  نشان می‏دهد که ترکیب مورد استفاده قادر است تا به طور کامل گسترش شعله بر روی بسترهای پارچه ای را متوقف نماید و در مقایسه با ترکیب ضد آتش EVO Flame CCL شرکت DYSTAR نیز عملکرد بهتری داشته باشد. لازم به ذکرست نتایج این پژوهش در دهمین کنفرانس ملی مهندسی نساجی ارائه شده است.

مقدمه

الیاف و پارچه ها که امروزه نقش مهمی در زندگی ما  از البسه شخصی و نظامی گرفته تا لوازم خانگی، صنایع خوردرو و حمل و نقل و دیگر کاربردها ایفا می‏نمایند همواره در معرض خطر بالقوه سوختن و اشتعال هستند. از این رو گونه های شیمیایی مقاوم در برابر شعله یا به اصطلاح بازدارنده های شعله (flame retardants) به منظور محدود کردن خطرات ناشی از اشتعال منسوجات و سایر پوشش های مشابه توسعه داده شده‏اند. این ترکیبات این وظیفه را از طریق مهار فرآیند جرقه زنی یا شعله وری و یا کاهش نرخ گسترش شعله دنبال می‏نمایند در ۳۰ سال گذشته با توجه به مسائل زیست محیطی و درک آسیب‏های ناشی از ترکیبات بازدارنده شعله هالوژنه و حاوی فرمالدهید، استفاده از ترکیبات فسفری مورد توجه و اقبال بیشتر قرار گرفت]۱و۲[. در همین حال استفاده از روش های نوینی نظیر بکارگیری ترکیبات متورم شونده و تکمیل های نانوذره ای ارائه گردیدند. ترکیبات متروم شونده شامل دسته‏ای از تکمیلات هستند که نمونه با قرار گیری در معرض شعله یا حرارت شروع به ایجاد یک لایه زغالی ضخیم در محل سوختگی می‏نماید. این لایه کربنی همانند یک عایق مانع از انتقال حرارت و اکسیژن به بستر و نیز خروج مواد فرار ناشی از احتراق گردد. این ترکیبات شامل سه جز بخش اسیدی (جهت تسریع شکل گیری لایه ای کربنی)، پف کننده(جهت تولید گاز و ایجاد تورم در لایه زغالی) و منبعی کربنی می‏شوند. در سوی دیگر استفاده از تکمیلات نانو مبتنی بر نانوذرات معدنی با پایداری حرارتی بالا روشی دیگر جهت ایجاد خاصیت بازدارندگی در برابر شعله برای منسوجات است که امروزه تحقیقات بسیاری بر روی آن در حال انجام است]۲و۳[.

بر این مبنا در این پروژه به طراحی یک تکمیل با خاصیت متورم شونده که در آن از نانوذرات معدنی نیز استفاده شده باشد، پرداخته شد.

مواد و روش ها

جهت آماده‏سازی ترکیب ضد شعله از یک ترکیب اسیدی به عنوان کاتالیست، از یک ترکیب آمینی به عنوان ترکیب متورم شونده و نیز از یک ترکیب کربن داربه عنوان منبع کربنی بکار گرفته شد. به عنوان نانوذره معدنی از SiO2 استفاده گردید.

جهت ارزیابی کارایی تکمیل صورت گرفته از آزمون های اشتعال پذیری عمودی ASTM D 6413، اشتعال پذیری افقی ASTM D 5132، توزین حرارتی TGA و نیز میکروسکوپ  SEM استفاده گردید.

نتایج و بحث

اشتعال پذیری عمودی و افقی: چنانکه تصاویر آزمون در شکل ۱ نشان می‏دهد نمونه خام به طور کلی سوخته و کاملا جرم از دست می‏دهد. این کاهش جرم شدید نتیجه خروج بالای محصولات فرار احتراق و نیز چکه نمودن بخش پلیمری در جریان اشتعال است. اما در طرف دیگر مشاهده می‏شود که نمونه تکمیل شده نه تنها گسترش شعله‏ای نداشت و اکثر بخش های نمونه سالم باقیمانده است که بخش‏های مقابل حرارت شعله صرفا سیاه شده و هدر رفت جرمی نیز نداشته‏اند. همین عدم کاهش جرم که ناشی از ایجاد یک لایه کربنی مقاوم به شعله است عامل اصلی مقاوم در برابر شعله است.

شکل ۱: تصاویر نمونه الف)شاهد، ب) تکمیل شده و ج) تکمیل شده حاوی SiO_۲ پس از آزمون اشتعال پذیری عمودی.

 

در این بررسی ۴ پارامتر شامل طول سوختگی (Char length)، زمان گسترش شعله (Flame spread time)، نرخ سوختن (Burning rate) و باقیمانده نهایی (Residue) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین در ادامه دسته بندی نمونه ها مطابق با استاندارد UL-94 برای نمونه ها آورده شده‏است. در جدول ۱ نتایج حاصل از آزمایش اشتعال پذیری عمودی را مشاهده می‏نمایید.

جدول ۱: نتایج آزمون اشتعال پذیری عمودی ASTM D6413.

نمونه	گسترش شعله (s)	نرخ سوختن [mm/s]	طول سوختگی(cm)	باقیمانده کربنی (%)	UL ۹۴
شاهد	۲۱	۹/۵	total	۷/۵	V2
تکمیلی	DNI	–	۱/۳	۱/۴۴	V0
تکمیلی حاوی SiO۲	DNI	–	۷/۲	۶/۴۹	V0

DNI: did not ignite

 

نمونه شاهد، یک نمونه پارچه پلی‏استر/پنبه است که کاملا آتش گیر می‏باشد. داده های جدول بالا و نیز شکل ۱ به خوبی این مساله را نشان می‏دهد. نمونه در هنگام تست به سرعت شعله ور شده و می‏سوزد. اشتعال آن بسیار سریع بوده و همراه با انتشار دود بسیار زیادی است. در نهایت نیز تنها حدود ۵/۵ درصد از جرم اولیه پس از سوختن باقی می‏ماند که این مساله شدت سوختگی بالای این پارچه را نمایان می‏کند. . نمونه تکمیل شده به هیچ عنوان شعله ور نشده‏است. از این رو زمان گسترش شعله‏ای و نرخ سوختن قابل توجهی نداشتند. عملکرد این نمونه‏ها را همچنین می‏توان در باقیمانده سوخته آن‏ها نیز دید. این نمونه‏ها افزایشی نزدیک به ۱۰ برابری را در مقدار باقیمانده char خود داشته‏اند. تصاویری از این دو نمونه در شکل ۱ آورده شده است. این نمونه مطابق با استاندارد UL-94 در دسته مواد V-0 قرار می گیرد که به معنای خود خاموش شونده بودن و عدم اشتعال پذیری آن است. در ارزیابی مقاومت حرارتی نمونه‏ها در جهت افقی نیز نمونه شاهد به طور کامل سوخت و تمامی جرم نمونه با گسترش شعله سوخت. اما نمونه تکمیل شده که حاوی ترکیبات ضد آتش بوده همانند حالت عمودی مقاومت بسیار مطلوبی را از خود به نمایش گذاشت. در شکل ۲ تصاویری از این نمونه‏ها نیز آورده شده‏است.

 

شکل ۲: تصاویر نمونه الف)شاهد، ب) تکمیل شده و ج) تکمیل شده حاوی SiO_۲ پس از آزمون اشتعال پذیری افقی.

 

 

توزین حرارتی TGA: نمودار ترموگراومتری یا همان TGA که رفتار مواد را در جریان افزایش حرارت نشان می‏دهد می‏تواند معیاری مناسب جهت مقایسه چند نمونه باشد. از این رو نمودار TGA برای نمونه‏های شاهد، تکمیل شده، تکمیل شده حاوی SiO2 و نیز تکمیل شده با ترکیب تجاری EVO Flame CCL در یک نمودار با یکدیگر مقایسه شدند (شکل۳). در نیمه ابتدایی نمودار شاهد آن هستیم که پارچه شاهد (پنبه/پلی استری) کاهش وزن محسوسی ندارند. در مقابل هر سه نمونه تکمیل شده دچار افت وزن شدند. این امریست طبیعی. چراکه ترکیبات بازدارنده شعله در دمای های کمتر از ۳۰۰ درجه تجزیه (پیش از تجزیه حرارتی بستر منسوج) و شروع به فعالیت‏های کاتالیستی نموده و فرآیند تولید لایه کربنی یا Char را بر روی سطح تسریع نمایند. اما در نیمه دوم نمودار و خصوصا دمای ۳۵۰ الی ۴۰۰ درجه به بعد وضع دگرگون می‏شود. همانطور که مشاهده می‏شود این بار پارچه پنبه/پلی‏استری دچار افت وزن می‏شوند. این بدلیل مقاومت ذاتی ساختار مولکولی این بسترهاست. این در حالی است که نمونه های تکمیل شده با ترکیبات ضد آتش در این بخش بهتر عمل می‏نمایند. در این بخش است که ترکیبات ضد آتش فعال شده و با تسریع یک سری از برهمکنش‏ها که در بخش های پیشین به تفصیل شرح داده شد، لایه‏ای کربنی را ایجاد می‏نمایند. اما در این بخش می‏توان اختلاف قابل ملاحظه ترکیب تکمیل شده در جریان این پروژه را با ترکیب تجاری EVO Flame CCL ساخت شرکت DyStar به خوبی مشاهده نمود. چنانکه در انتهای آزمون و در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‏گراد نمونه‏های تکمیل شده با ترکیب ضد آتش طراحی شده در این پروژه بدون و با SiO2 به ترتیب ۲۳ و ۲۷ درصد جرم باقیمانده دارند در حالی که نمونه تکمیل شده با EVO Flame CCL تنها حدود ۳ درصد جرم به صورت Char باقیمانده است. جالب توجه است در دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی گراد چنان که به نظر می‏رسد دو نمونه تکمیل شده با ترکیب ضد آتش تولید شده در این پروژه به یک ثبات رسیده و کاهش جرم آن‏ها روندی با شیب بسیار ملایم دارد.

 

شکل ۴: نمودار توزین حرارتی برای نمونه ها.

نتیجه گیری

در این مقاله یک ترکیب ضد آتش فسفری با خاصیت تورمی تولید شد. از نانو ذرات معدنی نیز جهت بهبود کارایی آن استفاده گردید. نتایج آزمون‏های اشتعال پذیری و توزین حرارتی نشان می‏دهد تکمیل صورت گرفته دارای بازدارندگی بسیار مطلوبی در برابر آتش و حرارت است. همچنین در یک مقایسه میان کارایی این ترکیب با ترکیبات ضد شعله تجاری که توسط شرکت‏های خارجی تولید گردیده نشان می‏دهد که ترکیب حاضر از نظر کارایی کاملا قابل رقابت با آن ها بوده و حتی دارای کارایی بالاتر نیز است. نتایج این پژوهش می تواند در موارد بسیاری از جمله منسوجات خانگی، البسه نظامی، آتشنشانی و … بکارگرفته شود.