کامپوزیت های پلیمری جدید

کامپوزیت های پلیمری جدید حاوی فسفات آلومینیوم به عنوان بازدارنده های شعله هیبریدی

ارگانوفسفات های آلومینیوم پلیمری دسته ‌ای از کامپاندها با آلومینیوم نانوساختار هستند که می توان آنها را به عنوان مواد هیبریدی آلی و معدنی در نظر گرفت. فسفات آلومینیوم به دلیل توانایی در بهبود مکانیکی مواد کامپوزیت، وزن سبک و خواص حرارتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مطالعات گسترده ای به بررسی پتانسیل ارگانوفسفات های آلومینیوم به عنوان یک مؤلفه در توسعه مواد مقاوم در برابر اشتعال پرداخته اند. مواد هیبریدی ارگانوفسفات آلومینیوم (APH) از واکنش هیدروکسید اکسید آلومینیوم (بوهمیت) به اسید فسفریک های آلکیل و آریل به وجود آمده و برای تهیه کامپوزیت هایی با رزین اپوکسی استفاده می شوند. بوهمیت یک ماده معدنی هیدروکسید اکسید آلومینیوم (γ-AlO(OH)) به عنوان بخشی از سنگ معدن آلومینیوم بوکسیت است. در اینجا، کامپوزیت های تهیه شده از رزین اپوکسی اپیدین 601 و عامل پخت تجاری IDA به دست آمده اند. بوهمیت خالص و هیبریدهای APH به عنوان مواد مقاوم در برابر شعله به این مواد اضافه شدند. تحلیل های FTIR و TGA نشان داد که به APH حاصل شده دارای ساختار هیبریدی، پایداری حرارتی بالا و مورفولوژی های مختلف است. این APH جدید به رزین اپوکسی افزوده شد. اسپکتروسکوپی مادون قرمز ساختار هیبریدها و کامپوزیت ها را تایید کرد. کالریمتری جریان احتراق پیرولیز (PCFC) و تحلیل های کالریمتر مخروطی برای ارزیابی خواص بازدارندگی شعله در کامپوزیت ها انجام شد. نتایج به دست آمده نشان داد که افزودن 17 درصد وزنی APH سرعت انتشار گرما را کاهش می دهد اما در مقایسه با بوهمیت خالص که از مکانیسم های مختلف تجزیه بوهمیت و هیبرید حاصل می شود، آن را محدود می کند. آزمایش کالریمتری مخروطی نشان داد محتوای باقیمانده به خوبی با کسر معدنی بوهمیت مطابقت دارد. APH های هیبریدی کارایی بیشتری از بوهمیت خالص ندارند زیرا کسر معدنی APH موجود کاهش می ‌یابد در حالی که کسر فسفات نمی‌ تواند چارینگ را افزایش دهد.

پیشرفت‌ های علمی و فنی قرن بیست و یکم مواد پلیمری را به اولین انتخاب در بسیاری از کاربردها تبدیل کرده بود؛ این مواد به سرعت جایگزین دیگر مواد شده و بر زندگی روزمره مسلط می شوند. در دهه های اخیر، مواد کامپوزیت در کاربردهای مختلف از آلیاژهای آلومینیوم و فولاد پیشی گرفته اند. این مواد شامل فریم ورک های پلیمری آلی تقویت شده با الیاف شیشه، آرامید، کربن یا الیاف طبیعی می شوند که از پتانسیل فیزیکوشیمیایی، حرارتی، شیمیایی و مکانیکی منحصر به فردی برخوردار بوده و در عین حال قابلیت حفظ چگالی کم، سختی و استحکام بالا، مقاومت سایشی، تحمل پذیری بالا و انبساط حرارتی کم را نیز دارند. با توجه به منشا آلی ماتریس پلیمری و الیاف، مواد کامپوزیت دارای مقاومت کمتری در برابر شعله هستند. ماتریس آلی با پیوند متقاطع لمینت اپوکسی همانند سایر رزین های ترموست، در دماهای بالا (300 تا 400 درجه سانتیگراد) تجزیه می شود و گرما، دود، دوده و همچنین دودهای مضر منتشر می کند. در حین احتراق پلیمر، فاز متراکم معمولا شامل چهار فرآیند خاص است. گروه های عامل مختلف (یا اتم ها) که بخشی از ماتریس پلیمر محسوب نمی شوند، ممکن است همزمان حذف شوند. به این واکنش به عنوان استریپینگ زنجیره اشاره شده است. اتصال متقاطع رادیکال های مختلف ایجاد شده در طول بریدگی زنجیره برای ساختن زغال (چار) کم و بیش پایدار آخرین واکنش غالب است. با توجه به رزین های اپوکسی، مرحله اولیه تجزیه حرارتی دی هیدراسیون الکل ثانویه است که توسط واکنش متقاطع برای تولید آمیدهای آللیک تشکیل شده است. بخش غیر اشباع مولکول سپس می‌ تواند تحت ایزومریزاسیون و شکست پیوند اکسیژن-آللیک قرار گیرد. در اتصال دهنده های متقاطع آمین، اتصال ضعیف C-N که هنگام پخت ایجاد می شود، تحت شکست اتصال نیتروژن-آللیک قرار می گیرد که منجر به تشکیل ذرات فرّار یا کمک به چارینگ می شود. با این حال، می‌ توان یک ضد اشتعال را برای افزایش مقاومت رزین متقاطع در برابر شعله معرفی کرد. در نتیجه، تشخیص این واقعیت بسیار مهم است که هر یک از این کاربردها به یک ترکیب منحصر به فرد (مانند رزین ها، سخت کننده ها یا بازدارنده آتش) نیاز دارد.

با توجه به حلقه آتش، نقاط مختلفی وجود دارد که در آنها می توان آتش را مهار کرد. بازدارنده شعله می تواند در فاز گازی با مهار واکنش اگزوترمیک (اکسیداسیون) در شعله با مهار رادیکال عمل کند و بنابراین، بازخورد انرژی به پلیمر را محدود می کند. بازدارنده شعله همچنین می تواند یک مانع حرارتی (چارینگ) را روی سطح فاز متراکم ایجاد کند که از انتقال حرارت به پلیمر در حال سوختن جلوگیری می کند. افزایش تشکیل ذغال باعث کاهش تعداد گازهای قابل اشتعال رسیده به شعله و در نتیجه، خاموش شدن آن می شود. زیرا آنها تشکیل زغال سنگ را کاتالیز می کنند و بازدارنده های شعله که مکانیسم دوم را به کار می گیرند، به عنوان فاز فعال متراکم شناخته می شوند. تا همین اواخر، اکثر بازدارنده های شعله بر پایه هالوژن بودند و تترابروموبیسفنول A (TBBPA) متداول ترین بازدارنده شعله به کار رفته در رزین های اپوکسی بود. رفتار بازدارنده های تهیه شده از بروم (مانند TBBPA) در مواجهه با استرس حرارتی با تولید رادیکال های بروم فرّار به خوبی شناخته شده است. این روند منجر به وقفه در

حلقه آتش می شود. به طور کلی، بازدارنده های شعله هالوژن در صنایع الکتریکی و الکترونیکی کاربرد دارند. برای مطابقت با استانداردهای زیست محیطی جدید، مواد کلردار و به ویژه بروم دار در حال حذف شدن هستند (مانند REACH، WEEE و RoHS). براساس REACH، فقط مواد شیمیایی مقاوم در برابر شعله ثبت شده با درج اطلاعات ایمنی قابل استفاده هستند. به همین دلیل، افزایش تعداد لابراتوارها و کسب ‌و کارها استفاده از بازدارنده‌ های آتش جایگزین در خطوط تولید را برای پیروی از این قوانین جدید و ارائه محصولات ایمن برای سلامت انسان و محیط زیست را آغاز کرده است.

ترکیب فسفات ها و فیلرهای معدنی اغلب راه حل خوبی برای بهبود بازدارنده های شعله در پلیمرها است. در این مطالعه، با واکنش هیدروکسید اکسید آلومینیوم (بوهمیت) با اسیدهای فسفریک آلکیل و آریل به مواد هیبریدی معدنی جدید دست یافتیم. ابتدا، دو مشتق آلی فسفر سنتز شدند و ساختار آنها نیز با استفاده از روش NMR تایید شد. سپس، بوهمیت با دی فنیل فسفات، دی اتیل فسفات و بیس (2-اتیل هگزیل) فسفات با موفقیت اصلاح شد. کامپوزیت های اپوکسی با 17 درصد وزنی بوهمیت خام یا هیبرید برای ارزیابی اشتعال پذیری آنها آماده شدند. ساختار هیبریدها و کامپوزیت های حاصل شده با تحلیل اسپکتروسکوپی مادون قرمز تایید شدند. مشاهدات میکروسکوپی کروّی بودن ذرات بوهمیت را نشان دادند اما نمونه‌ های بوهمیت اصلاح‌ شده پراکنده هستند. تحلیل ترموگراویمتری نشان داد که پایداری حرارتی با توجه به هیبریدها بسیار متفاوت است. تجزیه هیبریدها در یک مرحله اساسی اتفاق می افتد اما چندین مرحله اضافی می تواند برای DPPA-Al بالاتر از 400 درجه سانتیگراد مشاهده شد. DEHPA-Al ابتدا حدود 250 درجه سانتی گراد است. همچنین در دمای نسبتا بالاتر (304 درجه سانتیگراد) تجزیه می شود. DPPA-Al بالاترین پایداری حرارتی در پیک تجزیه در دمای 408 درجه سانتی گراد را نشان می دهد. با این حال، عملکرد بازدارنده شعله در کامپوزیت‌ های به‌ دست‌ آمده در حضور هیبریدها افزایش نمی یابد. از آنجا که بوهمیت اصلاح نشده مقدار pHRR را کاهش نمی دهد و اشتعال را شدیدا به تاخیر می اندازد، ترکیب بوهمیت و فسفات در هیبریدها به ضرر رفتار آتش سوزی تمام می شود. اول، فسفات ها در فاز گاز یا فاز متراکم مؤثر عمل نمی کنند. دوم، آنها حاوی مقدار زیادی کربن و هیدروژن برای کمک به تغذیه شعله هستند. در نهایت، هیبریدها حاوی مقدار کمتری از مواد معدنی هستند که به همین دلیل، تشکیل یک لایه محافظ به تعویق می افتد.