تعداد زیادی از كندسوزكننده ها در پلیمرها و كامپوزیت های پلیمری استفاده می شوند كه تعداد آن بین 100 تا 150 تركیب تخمین زده می شود. این مواد بزرگترین گروه افزودنی های مورد استفاده در پلیمرها محسوب می شوند. كندسوزكننده ها به دو گروه افزودنی یا واكنشگر (reactive) تقسیم می شوند. تركیبات افزودنی به هنگام فرایند وارد آمیزه پلیمری می شوند ولی به صورت شیمیایی با آن واكنشی نمی دهند. تركیب شیمیایی بسیاری از این مواد بر پایه عناصر زیر می باشد: آنتیموان، آلومینیوم، بور (Boron)، فسفر، برم یا كلر، كه همه آنها حد بالایی از كندسوزكنندگی را دارا هستند. در مرتبه بعدی افزودنی های حاوی باریم، روی، قلع (tin)، آهن، مولیبدنیم یا گوگرد قرار می گیرند. مثال هایی از مواد ذكر شده هیدرات آلومینیوم، اكسید آنتیموان و اكسید بور می باشد.
تركیبات واكنشگر، وارد ساختمان پلیمر می شوند. این نوع از كندسوزكننده ها اغلب بر پایه هالوژن ها (بور و كلر) فسفر، مواد غیر آلی و تركیبات ملامینی هستند. تركیبات هالوژن دار اگرچه با مكانیزم اختلال در واكنش های اكسید اسیونی اشتعال، عملكرد خوبی دارند، اما در سال های اخیر به دلیل ملاحظات زیست محیطی و بهداشتی در معرض خروج از این كاربرد قرار گرفته اند. تركیبات فسفردار با كاهش آزادسازی گازهای قابل اشتعال از طریق افزایش بازده ذغال گذاری پلیمر، كندسوزكننده بسیار كارایی محسوب می شوند.
انتخاب یك كندسوز كننده برای یك كامپوزیت پلیمری با توجه به عوامل محتلفی مانند قیمت، سازگاری شیمیایی با پلیمر، دمای تخریب حرارتی و وزن انجام می شود. بسیاری از فیلرهایی كندسوزكننده، خواص مكانیكی كامپوزیت را تضعیف میكنند و این موضوع نیز در انتخاب كندسوزكننده موثر است. در برخی موارد كندسوزكننده، اشتعال پذیری محصول را كاهش می دهد ولی میزان دود و مواد سمی حاصل از تخریب مواد را زیاد می كند. به همین دلیل استفاده از تلفیقی از كندسوزكننده ها به منظور حداقل سازی اثرات جانبی این مواد بر خواص مكانیكی، انتشار دود و سمیت مرسوم می باشد.
فیلرهای كندسوزكننده برای مواد كامپوزیت
فیلرها، مواد معدنی غیر واكنشگری هستند كه در مراحل پایانی فرآیند به پلیمر اضافه می شوند تا اشتعال پذیری محصول را كاهش دهند. قطر ذرات فیلر كمتر از 10 میكرون است و گاهی در محدوده زیر میكرون قرار دارد. ذرات مخلوط شده در رزین مایع باید به طور كامل پخش شوند تا مقاومت به شعله در همه جای كامپوزیت یكسان باشد. در اغلب پلیمرها، میزان فیلر زیادی باید وجود داشته باشد تا مقاومت به شعله كامپوزیت، بهبود قابل توجهی بیابد. در این موارد حداقل درصد حجمی 20% و متوسط آن 50 تا 60% است. فیلرهای مورد استفاده بایستی از نظر شیمیایی با پلیمر سازگار باشند و در غیر این صورت خواص مكانیكی و دوام قطعه به شدت افت خواهد كرد. فیلرها می توانند اثرات منفی دیگری نیز بر خواص داشته باشند. از جمله آنكه ویسكوزیته رزین را افزایش و زمان ژل شدن آن را كاهش داده، فرایند را مشكل تر می كنند.
علیرغم این مشكلات، فیلرها به دلیل ارزانی، آسانی استفاده و مقاومت شعله بالا، به میزان زیادی در كامپوزیت ها استفاده می شوند. البته به ندرت فیلرها به تنهایی استفاده می شوند و اغلب به همراه كندسوزكننده هایی مانند تركیبات هالوژن دار یا فسفردار آلی وارد آمیزه پلیمری می شوند تا به حد بالایی از مقاومت به شعله برسیم.
فیلرهایی را كه به عنوان كندسوزكننده استفاده می شوند به دو گروه تقسیم میكنند: فیلرهای خنثی و فیلرهای فعال. با افزودن فیلرهای خنثی در واقع ،میزان مواد فابل سوزش كم می شود. این امر در مقدار 50 تا 60% فیلر به وقوع می پیوندد. همچنین در این حالت یك لایه عایق مانند از فیلر، انتقال حرارت به پلیمر را كند كرده، خروج گازهای حاصل از تخریب (در صورتیكه ظرفیت گرمایی فیلر بیشتر از پلیمر باشد)، میتواند به عنوان چاره حرارتی(heat sink) انتقال گرما به پلیمر را كاهش دهد. سیلیس، كربنات كلسیم و تالك از جمله این نوع فیلرها است.
اما فیلرهای فعال، افزودنی موثرتری برای كاهش اشتعال پذیری و دود كامپوزیت های پلیمری محسوب می شوند. فیلرهای فعال به مثابه یك چاه حرارتی عمل كرده، با تجزیه شدن در دمای بالا، مقدار زیادی از حرارت را جذب می كنند و این پدیده خنك كننده، منجر به كاهش سرعت تخریب ماتریس پلیمری می شود. واكنش تجزیه این نوع فیلرها نیز معمولاً مقدار زیادی گازهای غیر قابل اشتعال تولید می كند كه وارد شعله شده، غلظت بخارهای قابل اشتعال و رادیكالهای ٠H و ٠OH را كاهش می دهند. این رقیق شدن منجر به كاهش دمای شعله و در نتیجه پایین آوردن سرعت تخریب ماده كامپوزیتی می شود. دمای تجزیه حرارتی آن (معمولاً 300 تا 450 درجه سانتی گراد) باشد.
از فیلرهای این گروه میتوان به (Al(OH3، اكسید آنتیموانSb2O3) (Sb2O5,، تركیبات آهن مانند (FeOC1 ,FeOH)، اكسید مولیبدنیم (MoO3)، هیدروكسید منیزیم (Mg(OH)2) و تركیبات روی و قلع اشاره نمود.
منبع: كتاب صنعت كامپوزیت ایران
مولفین: مهندس امیر مسعود رضادوست- دكتر مسعود اسفنده- اعضای هیأت علمی گروه كامپوزیت- پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران.
تركیبات واكنشگر، وارد ساختمان پلیمر می شوند. این نوع از كندسوزكننده ها اغلب بر پایه هالوژن ها (بور و كلر) فسفر، مواد غیر آلی و تركیبات ملامینی هستند. تركیبات هالوژن دار اگرچه با مكانیزم اختلال در واكنش های اكسید اسیونی اشتعال، عملكرد خوبی دارند، اما در سال های اخیر به دلیل ملاحظات زیست محیطی و بهداشتی در معرض خروج از این كاربرد قرار گرفته اند. تركیبات فسفردار با كاهش آزادسازی گازهای قابل اشتعال از طریق افزایش بازده ذغال گذاری پلیمر، كندسوزكننده بسیار كارایی محسوب می شوند.
انتخاب یك كندسوز كننده برای یك كامپوزیت پلیمری با توجه به عوامل محتلفی مانند قیمت، سازگاری شیمیایی با پلیمر، دمای تخریب حرارتی و وزن انجام می شود. بسیاری از فیلرهایی كندسوزكننده، خواص مكانیكی كامپوزیت را تضعیف میكنند و این موضوع نیز در انتخاب كندسوزكننده موثر است. در برخی موارد كندسوزكننده، اشتعال پذیری محصول را كاهش می دهد ولی میزان دود و مواد سمی حاصل از تخریب مواد را زیاد می كند. به همین دلیل استفاده از تلفیقی از كندسوزكننده ها به منظور حداقل سازی اثرات جانبی این مواد بر خواص مكانیكی، انتشار دود و سمیت مرسوم می باشد.
فیلرهای كندسوزكننده برای مواد كامپوزیت
فیلرها، مواد معدنی غیر واكنشگری هستند كه در مراحل پایانی فرآیند به پلیمر اضافه می شوند تا اشتعال پذیری محصول را كاهش دهند. قطر ذرات فیلر كمتر از 10 میكرون است و گاهی در محدوده زیر میكرون قرار دارد. ذرات مخلوط شده در رزین مایع باید به طور كامل پخش شوند تا مقاومت به شعله در همه جای كامپوزیت یكسان باشد. در اغلب پلیمرها، میزان فیلر زیادی باید وجود داشته باشد تا مقاومت به شعله كامپوزیت، بهبود قابل توجهی بیابد. در این موارد حداقل درصد حجمی 20% و متوسط آن 50 تا 60% است. فیلرهای مورد استفاده بایستی از نظر شیمیایی با پلیمر سازگار باشند و در غیر این صورت خواص مكانیكی و دوام قطعه به شدت افت خواهد كرد. فیلرها می توانند اثرات منفی دیگری نیز بر خواص داشته باشند. از جمله آنكه ویسكوزیته رزین را افزایش و زمان ژل شدن آن را كاهش داده، فرایند را مشكل تر می كنند.
علیرغم این مشكلات، فیلرها به دلیل ارزانی، آسانی استفاده و مقاومت شعله بالا، به میزان زیادی در كامپوزیت ها استفاده می شوند. البته به ندرت فیلرها به تنهایی استفاده می شوند و اغلب به همراه كندسوزكننده هایی مانند تركیبات هالوژن دار یا فسفردار آلی وارد آمیزه پلیمری می شوند تا به حد بالایی از مقاومت به شعله برسیم.
فیلرهایی را كه به عنوان كندسوزكننده استفاده می شوند به دو گروه تقسیم میكنند: فیلرهای خنثی و فیلرهای فعال. با افزودن فیلرهای خنثی در واقع ،میزان مواد فابل سوزش كم می شود. این امر در مقدار 50 تا 60% فیلر به وقوع می پیوندد. همچنین در این حالت یك لایه عایق مانند از فیلر، انتقال حرارت به پلیمر را كند كرده، خروج گازهای حاصل از تخریب (در صورتیكه ظرفیت گرمایی فیلر بیشتر از پلیمر باشد)، میتواند به عنوان چاره حرارتی(heat sink) انتقال گرما به پلیمر را كاهش دهد. سیلیس، كربنات كلسیم و تالك از جمله این نوع فیلرها است.
اما فیلرهای فعال، افزودنی موثرتری برای كاهش اشتعال پذیری و دود كامپوزیت های پلیمری محسوب می شوند. فیلرهای فعال به مثابه یك چاه حرارتی عمل كرده، با تجزیه شدن در دمای بالا، مقدار زیادی از حرارت را جذب می كنند و این پدیده خنك كننده، منجر به كاهش سرعت تخریب ماتریس پلیمری می شود. واكنش تجزیه این نوع فیلرها نیز معمولاً مقدار زیادی گازهای غیر قابل اشتعال تولید می كند كه وارد شعله شده، غلظت بخارهای قابل اشتعال و رادیكالهای ٠H و ٠OH را كاهش می دهند. این رقیق شدن منجر به كاهش دمای شعله و در نتیجه پایین آوردن سرعت تخریب ماده كامپوزیتی می شود. دمای تجزیه حرارتی آن (معمولاً 300 تا 450 درجه سانتی گراد) باشد.
از فیلرهای این گروه میتوان به (Al(OH3، اكسید آنتیموانSb2O3) (Sb2O5,، تركیبات آهن مانند (FeOC1 ,FeOH)، اكسید مولیبدنیم (MoO3)، هیدروكسید منیزیم (Mg(OH)2) و تركیبات روی و قلع اشاره نمود.
منبع: كتاب صنعت كامپوزیت ایران
مولفین: مهندس امیر مسعود رضادوست- دكتر مسعود اسفنده- اعضای هیأت علمی گروه كامپوزیت- پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران.
