بازدارنده های آتش در پلیمرها

چکیده

بازدارنده های شعله با کاهش اشتعال پذیری پلیمرها، نقش مهمی در افزایش ایمنی آنها ایفا می کنند. این افزودنی ها برای کند کردن و یا جلوگیری از اشتعال و گسترش آتش در مواد مبتنی بر پلیمر طراحی شده اند که آنها را برای طیف گسترده ای از کاربردها، از الکترونیک گرفته تا مصالح ساختمانی، ضروری می کند. این مقاله، مروری بر مواد بازدارنده شعله، تعریف، انواع، مکانیسم‌های عمل و کاربردهای کلیدی آن‌ها را با تمرکز بر پلیمرهای مورد استفاده در بخش‌های صنعتی ارائه می‌کند. این مقاله همچنین به بررسی چشم‌انداز آینده برای بازدارنده‌های شعله می‌پردازد.

1. مقدمه

پلیمرها به دلیل تنوع، دوام و هزینه کم به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، بسیاری از پلیمرها بسیار قابل اشتعال هستند و خطرات جدی آتش سوزی ایجاد می کنند. برای رفع این مشکل، بازدارنده های شعله در پلیمرها گنجانده می شوند تا مقاومت آنها در برابر آتش را افزایش دهند. این افزودنی ها برای اطمینان از ایمنی محصولاتی در زمینه های الکترونیک، منسوجات، مصالح ساختمانی و قطعات خودرو بسیار مهم هستند. با افزایش تقاضا برای پلیمرهای مقاوم در برابر شعله، درک عملکرد و کاربردهای آنها اهمیت فزاینده ای به ویژه در پرتو چالش های محیط زیستی و نظارتی جدید پیدا می کند.

2. تعریف بازدارنده شعله

بازدارنده های شعله، ترکیبات شیمیایی هستند که برای مهار، به تاخیر انداختن یا سرکوب فرآیند احتراق به مواد اضافه می شوند. هنگامی که مواد بازدارنده شعله وارد پلیمرها می شوند، احتمال اشتعال و گسترش آتش را کاهش می دهند. آنها بسته به نوع بازدارنده شعله و سیستم پلیمری مورد استفاده می توانند در مراحل مختلف احتراق از جمله در هنگام گرم شدن، اشتعال، انتشار شعله و رشد آتش عمل کنند.

3. انواع بازدارنده های شعله

انواع مختلفی از بازدارنده های شعله وجود دارد که به طور کلی بر اساس ترکیب شیمیایی و مکانیسم اثر آنها طبقه بندی می شوند (شکل1ساختار شیمایی برخی از آنها را نشان میدهد):

1.3. بازدانده های شعله هالوژنه:

این ترکیبات که مرسوم ترین بازدارنده های شعله مورد استفاده هستند، با آزاد کردن رادیکال های هالوژن که فرآیند احتراق را مختل می کنند، عمل می کنند. نمونه های متداول این مواد بازدارنده های شعله بروم دار و کلردار هستند. با این حال استفاده از این ترکیبات به دلیل انتشار گازهای سمی در طی احتراق، با نگرانی های زیست محیطی و بهداشتی همراه است.

2.3. بازدارنده های شعله بر پایه فسفر:

ترکیبات فسفر می توانند هم در فاز گاز و هم در فاز متراکم عمل کنند. این مواد با تشکیل یک لایه زغال بر روی سطح ماده منجر به کاهش انتشار گازهای قابل اشتعال میشوند به عنوان مثال می توان به فسفر قرمز، پلی فسفات آمونیوم و و ترکیبات آلی حاوی فسفات اشاره کرد.

3.3. بازدارنده های شعله غیر آلی:

این مواد شامل ترکیباتی مانند هیدروکسید آلومینیوم (ATH) و هیدروکسید منیزیم (MDH) هستند که با آزاد کردن بخار آب هنگام گرم شدن، سبب خنک کردن مواد و رقیق کردن گازهای قابل اشتعال میشوند. آنها غیر سمی و سازگار با محیط زیست هستند، اما اغلب به بارگذاری های بالاتر در پلیمرها نیاز دارند.

4.3. بازدارنده های شعله مبتنی بر نیتروژن:

این ترکیبات به هنگام فرایند احتراق تجزیه شده و گاز نیتروژن تولید میکنند که به رقیق شدن گازهای قابل اشتعال و کاهش غلظت اکسیژن در اطراف شعله کمک می کند. به عنوان مثال در این دسته می توان به ملامین و مشتقات آن اشاره کرد.

5.3. مواد بازدارنده شعله انبساطی:

مواد بازدارنده شعله انبساطی هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند منبسط می شوند و یک لایه زغال محافظ روی سطح پلیمر تشکیل می دهند. این لایه مواد را از گرما عایق می کند و در دسترس بودن گازهای قابل اشتعال را کاهش می دهد. فرمول های تشدید کننده اغلب شامل ترکیبی از مواد حاوی فسفر، نیتروژن و ترکیبات مبتنی بر کربن است.

4. مکانیسم عمل بازدارنده های آتش

بازدارنده های شعله بسته به ماهیت شیمیایی خود از طریق مکانیسم های مختلفی کار می کنند که در ادامه به صورت مختصر به آن ها اشاره شده است.

1.4. تجزیه گرماگیر

برخی از بازدارنده های شعله در هنگام تجزیه گرما را جذب کرده و دمای پلیمر را کاهش داده و فرآیند احتراق را کند می کند. به عنوان مثال، هیدروکسید آلومینیوم و هیدروکسید منیزیم بخار آب را آزاد می کنند و پلیمر را خنک می کنند.

2.4. بازداری فاز گاز

بازدارنده های شعله هالوژنه، رادیکال های هالوژن (Cl• یا Br•) را آزاد می کنند که رادیکال های هیدروژن و هیدروکسیل پر انرژی (H• و OH•) را در شعله از بین می برند و انرژی آتش را کاهش می دهند و از احتراق بیشتر جلوگیری می کنند. شکل 2 نحوه عملکرد این بازدارنده ها را در مقایسه با پلیمرهای فاقد بازدارنده شعله به نمایش میگذارد:

3.4. تشکیل لایه کربنی

بازدارنده های شعله بر پایه فسفر و انبساطی باعث تشکیل یک لایه زغال در سطح پلیمر می شود که به عنوان مانعی در برابر گرما و اکسیژن عمل می کند و از انتشار گازهای قابل اشتعال جلوگیری می کند.

4.4. رقیق شدن گازهای قابل احتراق

بازدارنده های شعله بر پایه نیتروژن گازهای بی اثری مانند نیتروژن آزاد می کنند که گازهای قابل اشتعال را در زمینه پلیمری رقیق کرده و اکسیژن موجود در منطقه احتراق را کاهش می دهد.

5. کاربردها

بازدارنده های شعله در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردها استفاده می شود (شکل3):

1.5. برق و الکترونیک

بازدارنده های شعله برای محافظت از قطعات الکترونیکی در برابر خطرات آتش سوزی ضروری هستند، به ویژه در محصولاتی مانند برد مدار، کابل ها و کانکتورها.

2.5. ساختمان و ساخت و ساز

موادی مانند عایق، سقف و لوله ها اغلب حاوی مواد بازدارنده شعله برای افزایش مقاومت در برابر آتش، به ویژه در ساختمان های مسکونی و تجاری هستند.

3.5. صنعت خودرو

پلیمرهای ضد شعله در اجزای مختلف خودرو از جمله داشبورد، روکش صندلی ها و سیستم های الکتریکی استفاده می شود.

4.5. منسوجات

ضد اشتعال ها برای پارچه های مورد استفاده در لباس، اثاثه یا لوازم داخلی و پرده ها استفاده می شوند تا از گسترش آتش جلوگیری شود.

5.5. هوا فضا و حمل و نقل

فضای داخلی هواپیما و سیستم های حمل و نقل عمومی برای ایمنی در صورت آتش سوزی به مواد مقاوم در برابر شعله نیاز دارند.

6. بیشترین کاربرد

گسترده ترین استفاده از مواد بازدارنده شعله در صنایع برق و الکترونیک است، جایی که استانداردهای ایمنی سختگیرانه در برابر آتش استفاده از پلیمرهای ضد شعله را ضروری می کند. بازدارنده های شعله بروم دار (BFRs)، ترکیبات مبتنی بر فسفر و تری اکسید آنتیموان به دلیل اثربخشی آنها در کاهش خطرات آتش سوزی در تجهیزات پیشرفته، معمولاً در این بخش استفاده می شوند.

7. چشم انداز

گسترده ترین استفاده از مواد بازدارنده شعله در صنایع برق و الکترونیک است، جایی که استانداردهای ایمنی سختگیرانه در برابر آتش استفاده از پلیمرهای ضد شعله را ضروری می کند. بازدارنده های شعله بروم دار (BFRs)، ترکیبات مبتنی بر فسفر و تری اکسید آنتیموان به دلیل اثربخشی آنها در کاهش خطرات آتش سوزی در تجهیزات پیشرفته، معمولاً در این بخش استفاده می شوند.

8. نتیجه گیری

بازدارنده های شعله برای اطمینان از ایمنی در برابر آتش در مواد مبتنی بر پلیمر، به ویژه در صنایعی که خطرات آتش سوزی در آنها قابل توجه است، مانند الکترونیک، ساخت و ساز و حمل و نقل و غیره حیاتی هستند. در حالی که بازدارنده های شعله سنتی مانند ترکیبات هالوژنه موثر هستند، اثرات زیست محیطی و سلامتی آنها سبب تغییر به سمت جایگزین های پایدارتر و فاقد هالوژنه شده است.

references:

[1] https://www.mdpi.com/2073-4360/14/1/82
[2] https://www.frontiersin.org/journals/materials/articles/10.3389/fmats.2021.703123/full
[3] https://www.mdpi.com/journal/polymers/special_issues/8K2NC5IB05
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X20300620
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141391023001660
[6] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8541075/
[7] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2007/jm/b702511d
[8] https://chekad.com/fire-resistant-polymers/?lang=en

گرداورنده: زهرا دوات گری

ویرایش شده توسط: دکتر مهرناز بهادری