منسوجات به عنوان یکی از منابع اصلی اشتعال در حوادث آتش سوزی محسوب می شوند. از این رو، توسعه منسوجات مقاوم در برابر شعله در بسیاری از کاربردها مانند لباس های محافظ، فرش، مبلمان، پرده، کفپوش، لباس خواب، تشک و منسوجات صنعتی برای جلوگیری از حوادث آتش سوزی و حفاظت از جان انسان ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
یک راه حل ضد آتش مناسب می تواند اشتعال منسوجات را به تعویق بیاندازد و گسترش شعله را کاهش دهد سه رویکرد اصلی را می توان برای کاهش اشتعال پذیری منسوجات در نظر گرفت:
1- افزودن بازدارنده‌های شعله (FR) به ماتریس پلیمری
2- کوپلیمریزاسیون پیوندی بخش‌های FR
3- انجام عملیات سطحی بر روی منسوجات و پلیمرها
به طور کلی، سیستم های بازدارنده شعله را می توان بر اساس مکانیسم عملکرد، به دو دسته سیستم های غیر شعله زا و شعله زا دسته بندی کرد.
سیستم‌های مقاوم در برابر شعله غیرسنتی از بازدارنده های شعله مبتنی بر هالوژنه، فسفر، نیتروژن، سیلیکون یا ترکیبات فلزی معدنی استفاده می‌کنند.
بیشتر ترکیبات مبتنی بر هالوژن در فاز گاز به عنوان جاذب کننده رادیکال های آزاد عمل می کنند، در حالی که بازدارنده های شعله مبتنی بر فسفر در فاز متراکم با تشکیل لایه زغال سنگ روی سطح نمونه در حال سوختن کار می کنند.
استفاده از بازدارنده های شعله هالوژنه به دلیل تولید گازهای سمی و سطح بالای دود در حین احتراق محدود شده است. اگرچه ترکیبات فسفر سمیت کمتری دارند، اما ممکن است فرمالدئید آزاد کنند و سلامت انسان و محیط زیست را به مخاطره بیندازند.
بنابراین، استفاده از مواد مقاوم در برابر شعله و سازگار با محیط زیست موضوعی قابل توجه است.
بازدارنده های شعله مبتنی بر نیتروژن، به عنوان یک ترکیب جایگزین، که عمدتاً مشتقات ملامین هستند، می توانند در هر دو فاز گازی و متراکم، با آزاد کردن آمونیاک که اکسیژن و گازهای قابل احتراق را رقیق کرده و میعانات پایدار حرارتی را تشکیل می دهد، عمل کنند.
همچنین، سیلیکون حاوی بازدارنده های شعله می تواند پوشش های پایدار حرارتی و محافظ ایجاد کند. علاوه بر این، ترکیبات معدنی معمولاً از طریق واکنش های گرماگیر عمل می کنند.
مصرف ترکیبات سنتی بازدارنده شعله را می توان با استفاده از نانوذرات بازدارنده شعله کاهش داد. نانوذرات می توانند پایداری حرارتی و خواص فیزیکی و مکانیکی منسوجات و پلیمرها را بهبود بخشند.
برهمکنش‌های مختلفی مانند واندروالس، پیوند هیدروژنی و برهمکنش الکترواستاتیکی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری ایجاد می‌شوند که همگی می‌توانند باعث سازگاری بسیار بهبود یافته بین پلیمر و نانوذرات شوند و باعث پراکندگی نانوذرات شوند.
از این رو، در سال‌های اخیر، گزارش‌های متعددی در مورد کاربرد نانوذرات با هدف بهبود پایداری حرارتی و تاخیر در شعله پلیمرها منتشر شده است که پتانسیل جذابی را برای توسعه منسوجات و پلیمرها ارائه می‌کند. برخی از محققان از نانوذرات و بازدارنده های شعله رایج در پلیمرها استفاده کردند.
با این رویکرد، مشکلات زیست محیطی را می توان کاهش داد، خواص مکانیکی را می توان بهبود بخشید، و یک اثر هم افزایی و یک عملکرد ایمنی آتش سوزی تنظیمی را نیز به دست آورد.
روش های آزمایش اشتعال پذیری
آزمایش‌های متعددی برای تعیین رفتار شعله پلیمرها شامل کالری‌سنجی مخروطی، شاخص اکسیژن محدود (LOI)، UL-94 و تجزیه و تحلیل گرمایی وزنی (TGA) وجود دارد..
اشتعال پذیری پلیمرها و منسوجات را می توان بر اساس عوامل متعددی مانند اشتعال پذیری، سرعت پخش شعله و انتشار حرارت تعریف کرد. بسته به کاربرد نهایی منسوجات و پلیمرها، برای دستیابی به سطح ایمنی قابل قبول، باید یک یا چند معیار اشتعال پذیری رعایت شود.
- کالری سنجی مخروطی یکی از مهمترین روشها برای تخمین رفتار سوختن مواد است اساس آن بر اساس اندازه گیری کاهش غلظت اکسیژن در گازهای احتراق نمونه ای است که در معرض شار حرارتی معین قرار می گیرند. (براساس استاندارد ASTM E 1354 و ISO 5660).
- شاخص محدود کننده اکسیژن (LOI) نشان دهنده حداقل غلظت درصد اکسیژن در مخلوط اکسیژن/نیتروژن است که احتراق شعله مواد را به مدت 3 دقیقه حفظ می کند یا طول 5 سانتی متر از نمونه را مصرف می کند (بر اساس استاندارد ASTM D2863 و ISO 4589).
- تجزیه و تحلیل گرمایی وزنی (TGA) تغییرات در خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را به عنوان تابعی از دما اندازه گیری می کند (ASTM E1131 و ISO 11358). باقیمانده زغال به عنوان درصد ماده اولیه بر حسب وزن که در پایان فرآیند گرمایش باقی می ماند و کاهش وزن در دمای شروع (T start ) به عنوان برخی از پارامترهای بدست آمده توسط TGA برای تجزیه و تحلیل خواص حرارتی مواد در نظر گرفته می شود.
نانوذرات بازدارنده شعله
نانو رس
نانورس‌ها نانوذراتی از سیلیکات‌های معدنی لایه‌ای هستند که بسته به ترکیب شیمیایی و مورفولوژی در چندین طبقه مانند مونت موریلونیت (MMT)، بنتونیت، کائولینیت، هکتوریت و هالویزیت سازمان‌دهی شده‌اند.
متداول‌ترین سیلیکات لایه‌ای مورد استفاده در نانوکامپوزیت‌های پلیمری MMT است که به دلیل طیف بالا، مساحت سطح بزرگ، مدول فوق‌العاده و پراکندگی در مقیاس نانو باعث بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و اشتعال‌پذیری پلیمرها شده است.
به منظور بهبود پراکندگی نانورس ها در ماتریس پلیمری، سطح سیلیکات اغلب با مبادله کاتیون های بین لایه اولیه با سورفکتانت های کاتیونی آلی، آلکیل آمونیوم، آلکیل ایمیدازولیوم و غیره اصلاح می شود. کاتیون های آلی منجر به کاهش انرژی سطحی می شوند.
از این رو، اثر کند شعله نانورس ها به شدت به توانایی آن برای پراکندگی در نانوکامپوزیت و محتوای اصلاح کننده ارگانیک بستگی دارد که می تواند به تشکیل محل های اسید کاتالیزوری در سطح نانورس ها در دمای بالا کمک کند.
به طور کلی پذیرفته شده است که تشکیل هر دو نانوکامپوزیت لایه برداری شده ، منجر به خواص مقاوم در برابر شعله می‌شود. با این وجود، برخی گزارش‌ها برتری ساختار لایه‌برداری شده را نسبت به ساختار درونی برای مدت زمان اشتعال طولانی‌مدت نشان داده‌اند.
با گرم شدن، ویسکوزیته کاهش می‌یابد که مهاجرت نانورس‌ها به سطح را تسهیل می‌کند. تجمع نانورس در سطح نانوکامپوزیت به عنوان یک مانع محافظ عمل می کند که انتقال حرارت را محدود می کند.
نانولوله های کربنی (CNT)
نانولوله‌های کربنی (CNT) دارای ساختارهای لوله‌ای هستند که از یک شبکه شش ضلعی از اتم‌های کربن پیوند خورده تشکیل شده‌اند. CNT به دلیل رسانایی حرارتی بالا و خواص مکانیکی و الکتریکی قابل توجه خود، کاربردهای مختلفی به عنوان افزودنی های امیدوارکننده برای نانوکامپوزیت های مختلف مبتنی بر پلیمر پیدا کرده اند.
مکانیسم‌های اصلی تاخیر در شعله در سیستم‌های پلیمری/CNT مبتنی بر تشکیل لایه‌های زغال سنگ است که به عنوان یک مانع حرارتی عمل می‌کنند. و عایق حرارتی تشعشع را دوباره به فاز گاز بازمی گرداند که به نوبه خود تخریب پلیمر را به تاخیر می اندازد.
CNT همچنین هدایت حرارتی نانوکامپوزیت پلیمری را افزایش می دهد، ویسکوزیته مذاب پلیمر را به دلیل تشکیل ساختار شبکه ای CNT افزایش می دهد و به عنوان یک جاذب رادیکال های آزاد عمل می کند.
نانو سیلیس (SiO 2)
از نانوذرات سیلیکا و عوامل اتصال عرضی برای ساخت یک سطح آبگریز بر روی الیاف پنبه از طریق یک روش معمولی خشک کردن استفاده شد.
نانوذرات بر پایه فلز
نانوذرات مبتنی بر فلز در پلیمرهای نساجی به منظور بهبود تاخیر شعله آنها استفاده شده است
نانوذرات مبتنی بر فلز می توانند به عنوان مانعی برای انتقال گرما و جرم عمل کنند، مسیر تخریب پلیمر را اصلاح کنند، تحرک زنجیره های پلیمری را محدود و گونه های فعال مانند رادیکال های آزاد را جذب کنند.
نتیجه گیری:
نتایج نشان می دهد که بیشتر نانوذرات می توانند پایداری حرارتی و خواص بازدارنده شعله پلیمرها را بهبود بخشند. مکانیسم های اصلی درگیر تشکیل یک لایه مانع محافظ همراه با ترویج زغال سنگ و به دام انداختن رادیکال های آزاد است.
با این وجود، میزان بهبود به پارامترهای مختلفی مانند مورفولوژی و ترکیب نانوذره، سازگاری بین نانوذره و پلیمر، پراکندگی نانوذرات در زمینه پلیمری و سرعت مهاجرت نانوذرات به سطح بستگی دارد.
Reference: Norouzi, M., Zare, Y., & Kiany, P. (2015). Nanoparticles as effective flame retardants for natural and synthetic textile polymers: application, mechanism, and optimization. Polymer Reviews, 55(3), 531-560
