نانوچندسازه‌هاي مقاوم در برابر شعله

نانوچندسازه‌هاي مقاوم در برابر شعله

مقدمه

نانوچندسازه‌ها در عرصه تأخيراندازهاي شعله پيشرفت‌هاي جديدي را باعث شده‌اند، به‌خصوص زماني‌که بخواهيم مقدار زيادي از اين مواد را در يک بسپار استفاده کنيم. نانوچندسازه‌ها نسبت به فرمول‌بندي‌هاي سابق نتايج بهتري در زمينه تأخيراندازهاي شعله از خود نشان داده‌اند. به طور کلي يك چندسازه از دو فاز مجزا به نام ماتريس که اغلب بسپار است و فاز تقويت کننده تشکيل شده که اين دو فاز در اتصال با‌ هم بوده و خواص چندسازه حاصل از هريک از اجزاي آن بالاتر است. ساختار و خواص چندسازه‌ها به مقدار زيادي به ريخت‌شناسي فازهاي تشکيل دهنده و خواص فصل‌مشترک آنها بستگي دارد. نانوچندسازه‌ها نيز مشابه همين خواص را دارا هستند ولي با اين تفاوت که اجزاي آن به صورت نانومتري درهم آميخته شده‌اند، در حالي که در چندسازه‌هاي معمولي اختلاط در حد ميکرومتر تا ميليمتر است. برهمين اساس نانوچندسازه‌ها نسبت به چندسازه‌هاي معمولي خواص فوق‌العاده‌اي را دارا هستند.

خواص نانوچندسازه‌ها

از جمله رايجترين نانوچندسازه‌ها، ساختارهاي بسپار- لايه هاي سيليکاتي است. برتري اين نوع چندسازه نسبت به بسپار معمولي يا پرشده در موارد زير است:

• وزن کم

• مدول و استحکام زياد

• کاهش نفوذپذيري در مقابل گازها

• افزايش مقاومت به حلال

• افزايش مقاومت حرارتي

اين چندسازه‌ها نسبت به چندسازه‌هاي حاوي الياف بلند تک جهته خواص مکانيکي بالاتري دارند، زيرا پركننده سيليکاتي عمل تقويت را در بيش از يک جهت انجام مي‌دهد. هم‌چنين اين مواد به خاطر مقياس طولي کوچکشان نسبت به طول موج نور مرئي، معمولا به صورت شفاف هستند. اين مواد پايداري حرارتي خوبي داشته و پارامتر خودخاموش‌شوندگي آنها نيز بسيار خوب است. در نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي که به صورت لايه لايه در بسپار توزيع شده‌اند، با حجم کمتري از تقويت‌کننده مي‌توان به خواصي معادل بسپارهاي پرشده با پركننده يا الياف دست يافت. اين مواد را مي‌توان مانند بسپارهاي پرشده معمولي يا چندسازه‌ها فرايند کرد. هم‌چنین از اين مواد مي‌توان در توليد فيلم و الياف به استفاده کرد[1]. در زمينه نانوچندسازه‌هاي داراي خاصيت ضد شعله موسسه‌ي ملي استاندارد و فناوري آمريکا تحقيقاتي را انجام داده است. اين تحقيقات در مورد نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي بسپارهاي زير صورت گرفته است:

• پلي پروپيلن پيوندخورده با انيدريک مالئيک

• پلي استايرين

• نايلون 6

• نايلون 12

• وينيل استر

• اپوکسي

روش مطالعه خاصيت آتش‌گيري نانوچندسازه‌هاي حاصل استفاده از دستگاه Cone Calorimetry مي‌باشد. تحقيقات نشان دادند که سازوكار کاهش آتش‌گيري در اين مواد همان سازوكار معمولي بوده و پارامترهاي زير بر اين خاصيت اثر مي‌گذارند:

• نوع لايه‌هاي سيليکات

• ميزان پراکنش

• فرايند تخريب

آزمون گرماسنجي مخروطي (Cone Calorimetry) نشان مي دهد که ميزان اوج و سرعت گرماي متوسط آزاد شده (HRR) در نانوچندسازه‌ها به ميزان قابل ملاحظه‌اي کاهش مي‌يابد. در حالي‌که مقدار خاکستر باقي‌مانده با کسر سيليکاي باقي مانده، خيلي افزايش نمي‌يابد، پارامترهاي زير بدون تغيير باقي مي‌مانند:

• گرماي ويژه احتراق (Hc)

• مساحت ناحيه سوخته (SEA)

• ميزان CO توليد شده

برهمين اساس محققان معتقدند که بهبود خاصيت ضد احتراق نانوچندسازه‌ها در اختلاف ناشي از فرايند تجزيه فاز متراکم است نه در اثر فاز گازي. به منظور مقايسه محققان خاصيت ضد احتراق پلي‌استايرن حاوي دکابرمودي فنيل اکسيد (DBDPO) و Sb2O3 که در فاز گازي عمل مي‌کند را بررسي کرده‌اند. اين مواد گرماي احتراق پايين‌تري داشته و ميزان CO بيشتري توليد مي‌کنند. آناليزهايXRD و TEM روي خاکستر اين مواد نيز همان سازوكار مواد معمولي را در مورد ضد شعله شدن نشان مي‌دهند. سازوكار تأخير در شعله ور شدن نانوچندسازه‌ها بر اساس نظريه Gilman سازوكار تأخير در شعله ورشدن اين مواد به اين صورت است که خاکستر حاصل از کربني شدن لايه سيليکاتي روي سطح را پوشانده و از تجزيه بيشتر نانوچندسازه جلوگيري مي کند. Gilman و همکارانش تأثير ساختار نانوچندسازه روي آتش‌گيري را نيز مورد بررسي قرار دادند[2]. نتايج اين تحقيقات روي نانوچندسازه پلي استايرين- سيليکا نشان داد که تنها ساختار لايه‌باز‌شده‌ي اين نوع چندسازه خاصيت ضد شعله از خود نشان مي‌دهد در حالي‌که در مورد نانوچندسازه‌هاي اپوکسي و وينيل‌استر ساختار ميان‌افزوده (Intercalated) داراي خاصيت ضدشعله است. هم‌چنين نتايج نشان مي‌دهند که شرايط فرايند روي خاصيت ضدشعله بودن نانوچندسازه‌هاي پلي‌استايرين تأثير مي‌گذارد. وقتي که اين نانوچندسازه از طريق اختلاط مذاب (در اکستروژن و دماي °C170 و تحت جو نيتروژن يا خلأ) و يا به روش حلالي (تولوئن) تهيه مي‌شود، خاصيت ضد شعله دارد. اما اگر دماي اکستروژن حين فرايند بالا باشد يا تحت جو هوا باشد، بهبودي در خاصيت ضدشعله بودن مشاهده نمي‌شود. Zu و Wilkie نانوچندسازه‌هاي متعددي از پلي استايرن با كاني‌رسي آلي‌دوست و با ترکيب درصدهاي مختلف تهيه نمودند [3]. روش تهيه اين نانوچندسازه‌ها بسپارش توده‌اي بود. نانوچندسازه‌هاي تهيه شده به ميزان زيادي از نظر پايداري حرارتي افزايش نشان دادند، به طوري‌که حتي در ترکيب درصد 0.1 براي كاني‌رسي، ميزان حداكثر حرارت آزاد شده در آزمون‌هاي TGA و گرماسنجي مخروطي حدود %40 کاهش نشان مي‌دهد. اما ميزان خاکستر توليد شده در آزمون‌هاي ذکر شده بهبودي پيدا نکرد. Lomakin و Ruban رفتار سوختن نانوچندسازه‌هاي با ساختار ميان‌افزوده تعدادي از بسپارها را مورد بررسي قرار دادند[4] که عبارتند از:

• پلی وینیل الکل

• پلي استايرن

• نايلون6

آنها مشاهده کردند که تري فنيل فسفين (TPP) که خود يک ماده ضد شعله قوي است، در حضور مواد کائولني ميان‌افزوده به صورت فعال‌تري عمل مي‌کند. TPP در فاز گازي با آزاد کردن راديکال P° عمل مي کند. اما وقتي که در نانوچندسازه، زنجيرهاي بسپار بين لابه‌هاي آن قرار مي‌گيرد، سازوكار تأخير در آتش‌گيري به فاز متراکم منتقل مي‌شود. تشکيل خاکستر حين احتراق بسپار خود دليلي است بر واکنش‌هاي شبکه‌اي شدن و آروماتيك‌شوي که به طور طبيعي در نانوچندسازه‌هاي پلي استايرن و TPP با ساختار ميان‌افزوده رخ مي‌دهند. خواص احتراقي چند نانوچندسازه حاوي بسپارهاي مختلف و کائولن در جدول 2 نشان داده شده است. Okada از خاکستر حاصل از سوختن نانوچندسازه نايلون6 به عنوان يک عامل کربني شدن در فرمول‌بندي يک ترکيب پف‌دهنده استفاده کرد (اين ترکيبات داراي سه جزء اسيد، کربن و عامل پف‌دهنده است)[5]. اين فرمول‌بندي علاوه بر افزايش خواص مکانيکي تركيباتEVA، خاصيت ضد‌شعله آن را نيز افزايش مي‌دهد. طبق نظريه وي، كاني‌رسي موجب افزايش پايداري حرارتي ساختار فسفوکربن در خاکستر و بنابراين افزايش خاصيت ضدشعله آن مي‌شود. لايه‌هاي سيليکاتي نيز به صورت يک سد در مقابل حرارت عمل مي‌کنند. بعضي اوقات نيز نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي با ساير مواد تأخير‌انداز شعله به منظور بهبود خواص مکانيکي بسپار آميخته مي‌شوند. يک نمونه از اين نوع نانوچندسازه‌ها را شرکت جنرال الکتريک در مورد پلي‌بوتيلن‌ترفتالات استفاده کرده است. Okada تأثير سيليکات‌هاي اصلاح شده با مواد آلي را در ترکيب با تعدادي از مواد تأخيرانداز شعله و اکسيدهاي فلزي روي پلي‌اتيلن را بررسي کرده است. همانطور که در جدول 3 مشاهده مي‌شود بيشينه‌ي مشاهده شده در ميزان حرارت آزاد شده در آزمون گرماسنجي مخروطي در پلي اتيلن حاوي phr10 خاک رس حدود %50 پايين تر از پلي‌اتيلن پرنشده است. در صورتي که مقدار مشابه از ترکيب DBDPO، Sb2O3 و پلي‌فسفات‌آمونيم تأثير زيادي روي بيشينه‌ي حرارت آزاد شده نمي‌گذارد. اما اگر %5 پلي فسفات يا فنيل فسفات آمونيم به پلي‌اتيلن حاوي %10 كاني‌رسي اضافه شود، ميزان بيشينه‌ي حرارت آزاد شده حين سوختن به مقدار 30 و 20 درصد کاهش خواهد يافت. علاوه بر اين خواص مکانيکي اين آميزه در مقايسه با پلي اتيلن حاوي phr15 مواد تأخيرانداز شعله از نظر کرنش در نقطه شکست تغييري نمي‌کند. نتيجه‌گيري نتايج حاصل از تحقيقات صورت گرفته روي خواص ضدشعله چند نوع نانوچندسازه نشان مي‌دهند كه تأثير مواد ضدشعله در نانوچندسازه‌ها بر خواص آتش‌گيري بسپار بيشتر از حالت معمولي بوده و در تركيب درصد پايين‌تري از مواد مي‌توان به خواص ضدشعله بالاتري نسبت به چندسازه‌هاي معمولي دست يافت، بدون اينكه كاهشي در خواص بسپار حاصل شود. استفاده از نانوچندسازه‌هاي سيليكاتي نه تنها خواص ضد شعله بسپار را به ميزان بيشتري نسبت به مواد تأخيرانداز تجارتي افزايش مي‌دهد بلكه خواص مكانيكي آن را نيز افزايش مي‌دهد. همچنين لايه‌هاي سيليكاتي حتي در دماهاي بالا نيز به صورت غيرفعال باقي مانده و مانند يك عايق حرارتي در مقابل شعله عمل مي‌كند. منابع

1- A R Horrocks and D Price; Fire retardant materials, 2001

2- Gilman J W, Jackson C L, Morgan A B, Harris R, Manias E, Giannelis E P,Wuthenow M, Hilton D and Phillips S, ‘Flammability properties of polymerlayered-silicate (clay) nanocomposites’ Flame Retardants 2000, London, Interscience,2000.

3- Zhu J and Wilkie C, ‘Thermal and fire studies on polystyrene–clay nanocomposites’, Polymer International, 2000, Vol 10

4- Lomakin S M, Usachev S V, Koverzanova E V, Ruban L V, Kalinina I G and Zaikov G E, ‘An investigation of thermal degradation of polymer flame retardant additives: triphenylphosphine and modified/intercalated trimethylphosphine’, 10th annual conf. Recent Advances in the Fire Retardancy of Polymeric Materials, Business Communication Co, Norwalk, USA, 1999.

5- Kojima Y, Usuki A, Kawasumi M, Okada A, Kurauchi T and Kamigaito O,‘Synthesis of nylon 6–clay hybrid by montmorillonite intercalated with ecaprolactam’,J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 1993, Vol 31

مهندس سید محمدرضا پرن

دانشگاه صنعتی امیرکبیر

منبع: مجله بسپار