Yangına dayanıklı polimerler - Fire-safe polymers

Yangına dayanıklı polimerler vardır polimerler dayanıklı bozulma yüksek sıcaklıklarda. Gökdelenler, tekneler ve uçak kabinleri gibi küçük, kapalı alanların yapımında yangına dayanıklı polimerlere ihtiyaç vardır.[1] Bu dar alanlarda, bir durumda kaçma yeteneği ateş tehlikeye atıldı, artıyor ateş risk. Aslında, bazı araştırmalar, uçak kazası kurbanlarının yaklaşık% 20'sinin kazanın kendisi tarafından değil, kaza sonucu öldüğünü bildirmektedir. yangınlar.[2] Ateş güvenliği polimerler ayrıca uygulama bul yapıştırıcılar havacılık malzemelerinde,[3] yalıtım için elektronik,[3] ve tuval çadırı gibi askeri malzemelerde.[4]

Bazı yangına dayanıklı polimerler doğal olarak içsel bir direnç gösterir ayrışma diğerleri ise yangına dayanıklı katkı maddeleri ve dolgu maddeleri eklenerek sentezlenir. Yangına dayanıklı geliştirmeye yönelik güncel araştırmalar polimerler çeşitli özelliklerini değiştirmeye odaklanmıştır. polimerler kolaylığı gibi ateşleme, ısı salınım hızı ve duman ve zehirli gazların oluşumu.[1] Test için standart yöntemler polimer yanıcılık ülkeler arasında değişiklik gösterir; Amerika Birleşik Devletleri'ndeki yaygın yangın testleri arasında UL 94 küçük alev testi, ASTM E 84 Steiner Tüneli ve ASTM E 622 Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) duman odası.[1] Yangına dayanıklı geliştirme üzerine araştırma polimerler daha arzu edilen özelliklere sahip olan Massachusetts Amherst Üniversitesi ve Federal Havacılık İdaresi yangına dayanıklı geliştirme konusunda uzun vadeli bir araştırma programı polimerler Polimerler üzerine UMass / Endüstri Araştırmaları Merkezi (CUMIRP) 1980 yılında Amherst, MA'da hem akademi hem de endüstriden bilim adamlarının yoğunlaşması amacıyla kurulmuştur. polimer bilim ve mühendislik araştırması.[1]

Tarih

Erken tarih

Kontrol etmek yanıcılık MÖ 450'den beri farklı malzemeler ilgi konusu olmuştur. ne zaman Mısırlılar azaltmaya çalıştı yanıcılık ıslatarak odun potasyum alüminyum sülfat (şap ). 450 B.C. ve 20. yüzyılın başlarında, farklı malzemelerin yanıcılığını azaltmak için kullanılan diğer malzemeler, şap ve sirke; kil ve saç; kil ve alçıtaşı; şap, demir sülfat, ve alçıtaşı; ve Amonyum Klorür, amonyum fosfat, boraks ve çeşitli asitler. Bu erken girişimler, örneğin askeri malzemeler, tiyatro perdeleri ve diğer tekstiller için ahşabın yanıcılığını azaltmada uygulama buldu. Bu erken dönemdeki önemli kilometre taşları arasında ilk patent Tutuşabilirliği kontrol etmek için 1735'te Obadiah Wyld'e verilen bir karışım için,[4] ve tarafından üstlenilen tutuşma kontrolünün ilk bilimsel keşfi Joseph Louis Gay-Lussac 1821'de.[4]

İkinci Dünya Savaşından bu yana yaşanan gelişmeler

Yangın geciktirici üzerine araştırma polimerler yeni türlere duyulan ihtiyaç tarafından desteklendi. sentetik polimerler içinde Dünya Savaşı II. Bir kombinasyonu halojenlenmiş parafin ve antimon oksit olarak başarılı bulundu Yangın geciktirici tuval çadırı için. Sentezi polimerler, gibi Polyesterler, ile Yangın geciktirici monomerler de bu süre zarfında geliştirildi.[5] Aleve dayanıklı katkı maddelerinin polimerler yanıcılığı azaltmanın yaygın ve nispeten ucuz bir yolu haline geldi. polimerler,[6] doğası gereği yangına dayanıklı sentezlenirken polimerler bunların özellikleri olmasına rağmen, daha pahalı bir alternatif olarak kalmıştır. polimerler caydırmada genellikle daha etkilidir yanma.[4]

Polimer yanması

Genel mekanik şema

Geleneksel polimerler ayrıştırmak ısı altında ve yanıcı ürünler üretir; böylelikle kaynaklanabilir ve kolayca yayılabilirler ateş (Şekil 1'de gösterildiği gibi).

Şekil 1: Genel bir şema polimer yanma.

yanma ısıtma işlemi başlar polimer verim uçucu Ürün:% s. Bu ürünler yeterince konsantre ise, yanıcılık sınırları ve tutuşma sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta yanma gelir. Verilen ısı olduğu sürece polimer sürdürmek için yeterli kalır termal ayrışma alevi beslemek için gerekenin üzerinde bir oranda, yanma devam edecek.[7]

Yangın geciktirici sistemlerin amacı ve yöntemleri

Amaç, kritik seviyenin altındaki ısıyı kontrol etmektir. Bunu başarmak için bir endotermik çevre, yanıcı olmayan ürünler üretmek veya yangının yayılmasını önleyecek kimyasallar eklemek radikaller (H ve OH), birkaç isim. Bu spesifik kimyasallar, polimer molekülleri kalıcı olarak (bkz. Kendinden Yangına Dayanıklı Polimerler) veya katkı maddeleri ve dolgu maddeleri olarak (bkz. Alev Geciktirici Katkı Maddeleri ve Dolgu Maddeleri).[7]

Oksijenin rolü

Oksijen katalize eder piroliz nın-nin polimerler düşük konsantrasyonda ve başlar oksidasyon yüksek konsantrasyonda. Geçiş konsantrasyonları farklı polimerler. (Örneğin., polipropilen,% 5 ile% 15 arasında). Bunlara ek olarak, polimerler ile yapısal bağımlı bir ilişki sergiliyor oksijen. Bazı yapılar doğası gereği daha hassastır ayrışma ile tepki üzerine oksijen. Erişim miktarı oksijen yüzeyine polimer ayrıca bir rol oynar polimer yanma. Oksijen ile daha iyi etkileşim kurabilir polimer bir alev gerçekten tutuşmadan önce.[7]

Isıtma oranının rolü

Çoğu durumda, tipik bir ısıtma hızından kaynaklanır (örneğin, mekanik için 10 ℃ / dak. termal bozulma çalışmalar) daha yüksek ısıtma oranlarında elde edilenlerden önemli ölçüde farklı değildir. Bununla birlikte, reaksiyonun boyutu ısıtma hızından etkilenebilir. Örneğin, düşük ısıtma hızıyla bazı reaksiyonlar gerçekleşmeyebilir. buharlaşma ürünlerin.[7]

Baskı rolü

Uçucu ürünler, düşük basınç altında daha verimli bir şekilde çıkarılır, bu da polimer tehlikeye atılmış olabilir. Azalan basınç da yavaşlar ayrışma yüksek kaynamalı ürünler.[7]

Kendinden yangına dayanıklı polimerler

polimerler direnmede en verimli olanlar yanma doğası gereği yangına dayanıklı olarak sentezlenenlerdir. Ancak bu tür polimerler sentezlenmesi hem zor hem de maliyetli olabilir. Farklı özelliklerin değiştirilmesi polimerler içsel yangın direncini artırabilir; artan katılık veya sertlik, kullanımı kutup monomerler ve / veya hidrojen bağı arasında polimer zincirlerin tümü yangına dayanıklılığı artırabilir.[8]

Döngüsel aromatik bileşenlere sahip doğrusal, tek sarmallı polimerler

Doğası gereği yangına en dayanıklı polimerler ödünç veren aromatik döngülerin veya heterosikllerin dahil edilmesiyle yapılır katılık ve istikrar polimerler.[9] Poliimidler, polibenzoksazoller (PBO'lar), polibenzimidazoller ve polibenztiyazoller (PBT'ler) örnekleridir. polimerler aromatik heterosikller ile yapılmıştır (Şekil 2).

Şekil 2: Farklı yangına dayanıklı polimerler aromatik heterosikllerden yapılmıştır.


Polimerler aromatik monomerler ile yapılanlar, üzerinde karakterlere yoğunlaşma eğilimindedir. yanma açığa çıkan yanıcı gaz miktarını azaltır. Bu türlerin sentezleri polimerler genellikle ateşe dayanıklılık oluşturmak için ayrıca reaksiyona giren ön polimerleri kullanır. polimerler.[10]

Merdiven polimerleri

Merdiven polimerleri alt sınıfı polimerler aromatik döngüler veya heterosikller ile yapılır. Merdiven polimerler Şekil 3'te gösterildiği gibi genel olarak iki tür genel yapıdan birine sahiptir.

Şekil 3: Farklı merdiven türlerinin iki temsili yapısı polimerler.


Tek tip merdiven polimer iki bağlantı polimer periyodik zincirler kovalent bağlar.[11] Başka bir türde merdiven polimer çift ​​sarmallı tek bir zincirden oluşur. Her iki merdiven türü polimerler iyi direnç gösterir ayrışma ısıdan kaynaklanıyor çünkü zincirler varsa kovalent bağ kırılmış, bozulmuş. Ancak bu, merdivenin işlenmesini sağlar polimerler zor çünkü kolay eriyemezler. Bu zorluklar karmaşıktır çünkü merdiven polimerleri genellikle çözülmez.

İnorganik ve yarıorganik polimerler

İnorganik ve yarıorganik polimerler sık sık istihdam silikon -azot, bor -azot, ve fosfor -azot monomerler. Yanmama özellikleri inorganik bunların bileşenleri polimerler kontrollerine katkıda bulunmak yanıcılık. Örneğin bol miktarda zehirli, yanıcı gazlar oluşturmak yerine, polimerler dahil edilerek hazırlanmıştır siklotrifosfazen yüzükler yüksek verir kömür teslim olmak yanma.[3] Polisiyalatlar (polimerler çerçevelerini içeren alüminyum, oksijen, ve silikon ) başka bir tür inorganik polimer 1300-1400 ° C sıcaklıklara kadar termal olarak kararlı olabilir.[12]

Alev geciktirici katkı maddeleri ve dolgular

Katkı maddeleri, katkı maddesinin etkileşimine bağlı olarak iki temel türe ayrılır ve polimer.[1] Reaktif alev geciktiriciler kimyasal olarak içine yerleştirilmiş bileşiklerdir. polimer. Genellikle içerirler heteroatomlar. Katkı alev geciktiriciler diğer yandan, olmayan bileşikler kovalent olarak bağlı polimer; alev geciktirici ve polimer sadece fiziksel olarak birbirine karıştırılır. elementler bu alanda yaygın olarak kullanılmaktadır: alüminyum, fosfor, azot, antimon, klor, brom ve belirli uygulamalarda magnezyum, çinko ve karbon. Bu elemanlardan türetilen alev geciktiricilerin (FR'ler) önemli bir avantajı, imalatlarının nispeten kolay olmasıdır. Önemli miktarlarda kullanılmaktadırlar: 2013 yılında, dünya frekansı tüketimi 4,9 / 5,2 milyar ABD doları satışla 2013 için yaklaşık 1,8 / 2,1 Mio t olarak gerçekleşti. Pazar araştırmaları, tahmini 6,1 / 7,1 milyar USD satış ile 2016/2018 yılına kadar FR'lerin talebinin yıllık% 5/7 artarak 2,4 / 2,6 Milyona çıkacağını tahmin ediyor.[13]

Kullanılan en önemli alev geciktirici sistemler, ya yüksek enerji radikalleri H ve OH'yi alevden uzaklaştırdıkları gaz fazında ya da katı fazda, kömürleşmiş bir tabaka oluşturarak polimeri korudukları ve böylece polimeri saldırıya karşı korudukları katı fazda etki eder. oksijen ve ısı ile.[14]Brom veya klor bazlı alev geciktiriciler ve bir dizi fosfor bileşiği, gaz fazında kimyasal olarak etki eder ve çok etkilidir. Diğerleri yalnızca metal hidroksitler gibi yoğun fazda etki eder (alüminyum trihidrat veya ATH, magnezyum hidroksit veya MDH, ve boehmit ), metal oksitler ve tuzlar (çinko borat ve çinko oksit, çinko hidroksistannat) ve ayrıca genişletilebilir grafit ve bazı nanokompozitler (aşağıya bakınız). Fosfor ve nitrojen bileşikleri de yoğunlaştırılmış fazda etkilidir ve gaz fazında da hareket edebildikleri için oldukça etkili alev geciktiricilerdir. Başlıca alev geciktirici ailelerine genel bakışlar, etki biçimleri ve uygulamaları burada verilmiştir.[15][16] Bu konularla ilgili diğer el kitapları şunlardır: [17][18] Gaz ve yoğun fazlarda hareket eden çok verimli bir fosfor bazlı alev geciktirici sistem için iyi bir örnek: alüminyum dietil fosfinat melamin polifosfat (MPP) ve diğerleri gibi sinerjistlerle birlikte. Bu fosfinatlar, elektrik mühendisliğinde / elektronikte (E&E) alev geciktirmeli uygulamalar için poliamidleri (PA) ve polibütilen tereftalatı (PBT) alev geciktirmek için kullanılır.[19]

Doğal lif içeren kompozitler

Tatmin edici mekanik özellikler ve yenilenebilirlik sağlamanın yanı sıra, doğal lifler elde edilmesi daha kolay ve insan yapımı malzemelerden çok daha ucuzdur. Üstelik daha çevre dostudurlar.[20] Son araştırmalar, farklı türlerin uygulanmasına odaklanmaktadır. yangın geciktiriciler üretim süreci ve uygulamaları sırasında yangın geciktiriciler (özellikle şişen kaplamalar) bitirme aşamasında.[20]

Nanokompozitler

Nanokompozitler yangına dayanıklılık araştırmalarında sıcak nokta haline geldi polimerler çünkü nispeten düşük maliyetleri ve çok işlevli özellikler için yüksek esneklik.[21] Gilman ve meslektaşları, nanodispersiyon uygulayarak yangın geciktirmenin iyileştirildiğini göstererek öncü çalışmayı yaptılar. Montmorillonit polimer matris içindeki kil. Daha sonra organomodifiye killer, TiO2 nanopartiküller, silika nanopartiküller, katmanlı çift hidroksitler, karbon nanotüpler ve çok yüzlü Silsesquioxanes çalıştığı da kanıtlandı.[21] Son araştırmalar, birleştirmenin nanopartiküller geleneksel ile yangın geciktiriciler (Örneğin., şişen ) veya yüzey işlemiyle (örneğin plazma işlemi) etkili bir şekilde azalır yanıcılık.[21]

Katkı maddeleri ve dolgu maddeleriyle ilgili sorunlar

Azaltmada etkili olmasına rağmen yanıcılık alev geciktirici katkı maddeleri ve dolgu maddelerinin dezavantajları vardır. Zayıf uyumlulukları, yüksek uçuculuk ve diğer zararlı etkiler ürünün özelliklerini değiştirebilir polimerler. Ayrıca, birçok yangın geciktiricinin eklenmesi, is ve karbonmonoksit sırasında yanma. Halojen içeren malzemeler çevre konusunda daha fazla endişeye neden olur kirlilik.[1][22]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e f Zhang, H. Yangına Dayanıklı Polimerler ve Polimer Kompozitler, Federal Havacılık İdaresi teknik raporu; ABD Ulaştırma Bakanlığı: Washington, D.C., 2004.
  2. ^ Sarkos, C.P. Kabin Malzemelerinin Uçak Kaza Sonrası Yangın Dayanımına Etkisi. Yıllık Teknik Konferansın Teknik Raporları 1996, 54 (3), 3068-3071.
  3. ^ a b c Kumar, D .; Gupta, A. D .; Khullar, M.Yeni bir tetrakisaminofenoxycyclotriphosphazene dayalı ısıya dayanıklı termoset polimerler. J. Polym. Sci. Bölüm A: Polym. Chem. 1993, 31 (11), 2739-2745. [1] doi:10.1002 / pola.1993.080311109
  4. ^ a b c d Hindersinn, R. R. Polimer Yangın Geciktirmenin Tarihsel Yönleri. İçinde Yangın ve Polimerler - Tehlikelerin Belirlenmesi ve Önlenmesi; Nelson, G.L., Ed .; Amerikan Kimya Derneği: Washington, D.C., 1990; sayfa 87-96. ISSN  0097-6156
  5. ^ Robitschek, P .; Bean, C.T. Aleve Dayanıklı Polyesters, Hexachlorocyclopentadiene. San. Müh. Chem. 1954, 46 (8), 1628-1632. [2] doi:10.1021 / ie50536a034
  6. ^ Connolly, W. J .; Thornton, A. M. Polyester Sistemlerde Alüminyum Hidrat Dolgu. Mod. Plastikler 1965, 43 (2), 154-202.
  7. ^ a b c d e Camino, G .; Costa, L .; Luda di Cortemiglia, M.P. Yangın Geciktirici Mekanizmalara Genel Bakış. Polym. Degrad. Stabil. 1991, 33 (2), 131-154. [3][ölü bağlantı ] doi:10.1016 / 0141-3910 (91) 90014-I
  8. ^ Frazer, A.H. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Polimerler; John Wiley & Sons: New York, 1968. [4] doi:10.1002 / app.1969.070130822
  9. ^ Mallakpour, S. E .; Hajipour, A.-R .; Mahdavian, A.-R .; Khoee, S. Yeni optik olarak aktif ve alev geciktirici heterosiklik poliimidlerin sentezi ve karakterizasyonu. J. Appli. Polym. Sci. 2000, 76 (2), 240-248. doi:10.1002 / (SICI) 1097-4628 (20000411) 76: 2 <240 :: AID-APP13> 3.0.CO; 2-A
  10. ^ Akinseye, T. D .; Harruna, I. I .; Bota, K. B. İşlenebilir Öncüler .4. Poli (Fenilen Bixbenzoxazoles) için İşlenebilir Öncülerin Sentezi ve Karakterizasyonu. Polimer 1997, 38 (10), 2507-2513. [5][ölü bağlantı ] doi:10.1016 / S0032-3861 (96) 00778-1
  11. ^ Sirkecioğlu, O .; Tunca, A. A .; Talinli, N .; Akar, A. Dihidroksiaromatik bileşiklerden ve dialdehitlerden merdiven tipi polimerler. Angew. Makrom. Chem. 1999, 271 (1), 8-10. ISSN  0003-3146
  12. ^ Barbosa, V. F. F .; MacKenzie, K. J. D .; Thaumaturgo, C. Alümina ve silikanın inorganik polimerlerine dayanan malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu: sodyum polisialat polimerleri. Int. J. Inorg. Mater. 2000, 2 (4), 309-317. doi:10.1016 / S1466-6049 (00) 00041-6
  13. ^ Troitzsch, J.H. Alev geciktiriciler. Talepler ve yenilikler. Alev Geciktirici Plastikler üzerine 5. Uluslararası SKZ Konferansı, Şangay, Çin, 21 Mart 2014
  14. ^ Lewin, M., Weil, E. Polimerlerin alev geciktiriciliğinde etki mekanizmaları ve modları, s. 31 f., Alev geciktirici malzemeler, Horrocks, R., Price, D. Ed., Woodhead Publishing, 2004
  15. ^ Bourbigot, S., Le Bras, M. Alev geciktiriciler, s. 133 f. ve Eckel, T. Alev geciktirmeli plastikler, s. 158 f. Plastics flammability handbook, 3rd Ed., Troitzsch, J. Ed., Hanser Publishers, Munich, 2004
  16. ^ Weil, E., Levchik S. Plastik ve tekstil ürünleri için alev geciktiriciler. Pratik uygulamalar. Hanser Yayıncıları, Münih, 2009
  17. ^ Wilkie, C., Morgan, A. Organik materyallerin alev geciktirmesi, 2. Baskı, CRC Press, 2010
  18. ^ Morgan, A., Wilkie, C. Halojene olmayan alev geciktirici el kitabı, Scrivener Publishing, Wiley, 2014.
  19. ^ Huang, K.J., Hörold, S., Dietz, M., Schmitt, E. Elektronikte plastikler için alev geciktiriciler olarak fosfinatlar. Alev Geciktirici Plastikler 1. Uluslararası SKZ Konferansı, Şangay, Çin, 21 Eylül 2009
  20. ^ a b Kozlowski, R .; Wladyka-Przybylak, M. Doğal liflerle güçlendirilmiş kompozitlerin tutuşabilirliği ve yangına dayanıklılığı. Polimer Advan. Technol. 2008, 19 (6), 446-453. [6] doi:10.1002 / pat. 1135
  21. ^ a b c Bourbigot, S .; Duquesne, S .; Jama C. Polimer Nanokompozitler: Düşük Yanıcılığa Nasıl Ulaşılır? Macromol. Symp. 2006, 233 (1), 180-190. [7] doi:10.1002 / masy.200650123
  22. ^ Porter, D .; Metcalfe, E .; Thomas, M.J.K. Nanokompozit Yangın Geciktiriciler - Bir İnceleme. Ateş Mater. 2000, 24 (1), 45-52. doi:10.1002 / (SICI) 1099-1018 (200001/02) 24: 1 <45 :: AID-FAM719> 3.0.CO; 2-S

Dış bağlantılar