دی ایزوسیانات ها (Diisocyanates)

ایزوسیانات (Isocyanate) دسته‌ای از ترکیبات آلی با فرمول عمومی N=C=O- است. ترکیباتی که شامل دو گروه عاملی ایزوسیانات هستند، به دی ایزوسیانات معروف هستند.این مواد در واکنش با پلیول ها دسته‌ای از مواد پلیمری به نام پلی یورتان را می سازند.

ایزوسیانات ها اغلب از واکنش آمین و فسژن در حلال های بی اثر و شرایط دمایی زیر صفر تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد تولید می شوند. دی ایزوسیانات ها دارای دو گروه سیاناتی می باشند.

دی ایزوسیانات

نکته: برخلاف تصور عموم اولین فوم های پلیمری بر پایه ایزوسیانات، فوم های پلی آمیدی بودند. نه فوم های پلی یورتانی، همچنین فوم های دیگری غیر از فوم های پلی آمیدی و پلی یورتانی بر پایه ایزوسیانات را می توان نام برد.

با توجه به مطالب گفته شده جدولی از تولیدات انواع فوم بر پایه ایزوسیانات به شرح ذیل می باشد:

فوم

نوع مکانیسم (واکنش)ویژگی

پلی یورتان

افزایشی

فلکسیبل و ریجید

پلی ایزو سیانورات

سیکلو تریمریزاسیون

ریجید

پلی آمید

تراکمی

فلکسیبل و ریجید

پلی ایمید

تراکمیسمی ریجید و ریجید
پلی اوره (یوریا)

افزایشی

فلکسیبل و ریجید
پلی کربو دی ایمید

تراکمی

سمی ریجید

پلی اکسازولیدونافزایشی حلقه گشایی

ریجید و سمی ریجید

انواع دی ایزو سیانات

دی ایزوسیانات ها به دو دسته ایزوسیانات آلیفاتیک و ایزوسیانات آروماتیک تقسیم بندی می شوند.

ایزوسیانات آلیفاتیک اولین بار توسط ورتز (wurtz) در سال 1849 ساخته شد. در حالیکه ایزوسیانات آروماتیک در سال 1950 توسط هافمن (Hoffman) از پیرولیز متقارن دی فنیل اکسامید ساخته شده است.

در سال 1884هنتسل (Hentschel) تولید ایزو سیانات به روش فسژناسیون آمین ها و نمک آنها را ارایه نمود. که این روش به عنوان مقرون به صرفه ترین روش تولید ایزوسانات شناخته شده است.

با توجه به اینکه دی ایزوسیانات های آروماتیک واکنش پذیری سریعتری نسبت به ایزوسیانات های آلیفاتیک دارند، این دسته از دی ایزوسیانات ها کاربرد وسیع تری دارند. از جمله مهمترین آن ها میتوان (TDI) و (MDI) به شکل الیگومریک نام برد.

از جمله معروف ترین دی ایزوسیانات های تجاری می توان به TDI (2,4)، TDI (2,6)،  MDI، HDI، XDI، PPDI، CHDI، TMDI، TODI ، IPDI، NDI اشاره کرد.

تولوئن دی ایزوسیانات (TDI)

تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) یکی از اعضای خانواده ی ایزوسیانات ها است که مرتبط با شاخه شیمی پلی یورتان ها می باشد. در فرآیند تولید  (TDI)ابتدا دی نیتروتولوئن (DNT) با هیدروژن در مجاورت کاتالیزور مناسب واکنش داده و تولید تولوئن دی آمین (TDA) می نماید. سپس (TDA) در واکنش با کربونیل دی کلراید به (TDI) تبدیل می شود.

ساختار مولکولی تولوئن دی ایزوسیانات ها دارای دو ایزومر میباشد.

متیل بنزن

ساختار تولوئن (متیل بنزن)

تولوئن دی ایزوسیانات

TDI 2.6                                               TDI 2.4

کاربرد های تولوئن دی ایزوسیانات (TDI)

تولوئن دی ایزوسیانات کاربردهای بسیار وسیعی دارد. این کاربرد ها از صنایع مبلمان، وسایل خواب و زیر فرشی گرفته تا وسایل حمل و نقل صنایع بسته بندی گسترده است. همچنین این ماده در تولید روکش ها و پوشش ها، درزگیر، چسب ها و الاستومر ها کاربرد دارد.

متیل دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI)

متیل دی فنیل دی ایزوسیانات اغلب به صورت اختصاری MDI شناخته می شود و یک ترکیب آروماتیک از خانواده دی ایزوسیانات ها است. این ماده به صورت سه ایزومر (MDI 2,2) و (MDI 2,4) و (MDI4,4)  موجود است.

متیل دی فنیل دی ایزوسیانات

برای تولید MDI ابتدا بنزن به نیترو بنزن تبدیل شده و سپس در حضور کاتالیست مناسب آنیلین تولید می گردد. از آنیلین تولید شده طی فرایندهایی تحت تاثیر کربونیل کلراید MDI تولید میگردد.

این گرید ها شامل:

MDI, LMDI, LMDIB, UPMI, ESPMI, CPMILF, CPMI MF, CPMI HF

کاربرد های متیل دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI)

(MDI) با پلیول واکنش داده و پلی یورتان را تولید می کند. فوم های سخت پلی یورتان عایق های حرارتی بسیار خوبی هستند که تقریباً در همه یخچال ها و فریزرها در سراسر جهان و نیز در عایق های حرارتی ساختمانی استفاده می شوند. (MDI) همچنین در چسب های محکم صنعتی نیز کاربرد دارد که معمولاً به عنوان چسب های قوی در بطری چسب به دست مصرف کنندگان نهایی می رسند.

پلیول ها (POLYOLS)

پلیول ها به زنجیر پلیمری اطلاق می شود که دارای دو یا چند گروه هیدروکسیل (OH) می باشند. معمولا در تولید پلی یورتان ها از دو نوع پلیول پلی استری و پلیول پلی اتری استفاده می شود.

نوع پلیول بکار رفته در پلی یورتان ها تعیین کننده خواص نهایی آن ها می باشد. معمولا پلیول های بکار رفته در تولید پلی یورتان ها دارای وزن ملکولی مابین ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ می باشند که بسته به خواص نهایی مورد انتظار از پلی یورتان، انتخاب می شوند.

پلیول های پلی استری  (Polyester Polyols)

پلی استرها زنجیرهای ملکولی با وزن ملکولی بالا هستند که در زنجیره آن ها گروه استری تکرار می شود و از واکنش یک اسید کربوکسیلیک دوعاملی با یک الکل دوعاملی حاصل می شوند.

پلی استرهای مورد استفاده در صنایع پلی یورتان به روش های مختلفی تهیه می شوند که مهمترین آن ها عبارتند از روش پلی استریفیکاسیونی و پلی کاپرولاکتونی.

پلیول های پلی استری

پلیول های پلی اتری (Polyether Polyols)

این نوع پلیول ها معمولا از واکنش پلیمریزاسیونی گروه اپوکسید آلکلین اسید در مجاورت کاتالیست های بازی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم تولید می شوند. پلی اتر پلیول ها بسته به روش تهیه آن ها دو عاملی یا سه عاملی یا بیشتر می باشند.

پلیول های پلی اتری

از واکنش پلیول های فوق الذکر با ایزوسیانات ها به تنهایی فوم مطلوبی حاصل نمیگردد. بدین منظور به پلیول موادی چون افزاینده های زنجیرکاتالیست ها سورفکتانت ها آب یا عوامل پف زا  و کندسوز کنندها نیز افزوده میگردد.

مزایای پلی اتر پلیول ها به پلی استر پلیول ها

  • پلیوله ای با فانکشنالیتی متنوع (2-8)
  • وزن اکیوالان بطور گسترده قابل تغییر است
  • مقاومت بهتر در برابر هیدرولیز
  • ویسکوزیته پایین تر
  • هزینه تولید پایین تر

نکته: تنوع بیشتر فانکشنالیتی و وزن اکیوالان از بهترین مزیت های مذکور است که باعث تولید محصولات متنوع میگردد.

معایب پلی اترپلیول ها به پلی استرپلیول ها

تنها عیبی که پلی اتر پلیول نسبت به پلی استر پلیول دارد مقاومت پایین آن نسبت به اکسیداسیون است.

نکته: شاید این سوال پیش آید که چرا از پلی استر پلیول استفاده میگردد؟ زیرا حضور پلی استر پلیول ها در ساختار فوم باعث بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی فوم میشود.

پلیول بر پایه روغن گیاهی

روغن خرما

می توان امید داشت که در آینده نزدیک استفاده از پلی ال های پایه گیاهی در صنایع پلی یورتان به جای استفاده از انواع پایه نفتی رونق بیشتری داشته باشند. همچنین یکی از ویژگی های برتر پلی استر پایه گیاهی، خاصیت بازدارندگی از آتش گرفتن بیشتری در مقایسه با پلی استر های پایه نفتی دارند.

جایگزینی پلی ال های پایه نفتی با پلی ال هایی از روغن خرما

پلی ال ها معمولا توسط یک یا دو روش شیمیایی ممکن که به نام الکوکسیداسیون و استریفیکاسیون نامیده می شوند، تولید می گردد.

در حال حاضر، بسیاری از پلی ال هایی که در صنایع پلی یورتان مورد استفاده قرار می گیرند بر پایه نفت و مشتقات نفتی بوده و از نفت خام و زغال سنگ به عنوان مواد اولیه تولیدی آن ها استفاده می شود.

تولید پلی ال ها از مشتقات نفتی به دلیل قیمت بالای مواد اولیه آن و منابع محدود نفت خام در آینده می تواند به صورت جدی به چالش کشیده شود. از این رو لازم است نگاهی به استفاده از منابع گیاهی برای جایگزینی منومرهای مورد کاربرد در صنعت پلیمر ها برای آینده نزدیک داشته باشیم.

علاوه بر این با افزایش سالانه مصرف پلی یورتان و تولید ضایعات زیست تخریب ناپذیر بجای مانده از تولیدات محصولات پلی یورتانی، یکی از مشکلات جدی زیست محیطی دنیای پیرامون ما است.

برای مثال در اروپا و آمریکا قوانین دولتی مشوق های بسیار قوی برای تجزیه، احیا و مصرف دوباره مواد پلیمری در مقابل دفن اینگونه زباله ها و تخریب محیط زیست به تولید کنندگان و مردم ارائه می نمایند.

اگرچه با توجه به فرآیند گرماسخت (Thermosetting)  تولید پلی یورتان ها، احیا و استفاده مجدد از ضایعات صنایع پلی یورتان بسیار محدود و سخت است، اما می توان جایگزین هایی نیز برای تجزیه و بازیافت پلی یورتان ها ارائه کرد.

پلی ال های پایه گیاهی

پروفسور Khairiah Badri محقق مالزیایی دانشگاه Kebangsaan معتقد است:

پلیمر های قابل تجزیه و شکسته شدن به ذرات کوچکتر به صورت وسیعی در صنعت داروسازی مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان نمونه از این نوع پلیمرها به عنوان نخ پانسمان زخم ها، ایمپلنت های جراحی و سیستم های پزشکی خاص به کار می روند.

اما هنوز استفاده از این نوع مواد به دلیل هزینه های تولید بالا و یا در برخی موارد عدم مشاهده نتایج کاربردی قوی محدود بوده و قابل توجه نمی باشد.

وی می گوید:

این عملکرد را می توان با اصلاح خواص فیزیکی و ساختار شیمیایی این مواد از طریق ترکیبی از مواد تجزیه پذیر و غیر قابل تجزیه تصحیح نمود. پلی ال های پلی یورتانی برپایه روغن های گیاهی بر اساس فرایند جدیدی که در آن از روغن هسته خرمای تصفیه و بوگیری شده در مخلوطی از الکل پلی هیدریک یا یک ترکیبی از الکل پلی هیدریک، با الکل پلی ساکارید و کاتالیست می باشد، استفاده می گردد.

روغن هسته خرما و یا روغن نارگیل

روغن هسته خرما و یا روغن نارگیل از طریق پلی استریفیکاسیون یا پلی کاندنسیشن (بسپارش) هیدراکسیل دار شده، تا از آن ها پلی ال های پایه روغن طبیعی شکل گیرند.

دکتر  Khairiah افزود:

محصولات شیمیایی مشتق شده از روغن گیاهان به نام های روغن هسته خرما و روغن نارگیل، به عنوان یک جایگزین ایده آل برای پلی ال های پایه نفتی محسوب می شوند از این رو می توان امید داشت که در آینده نزدیک استفاده از پلی ال های پایه گیاهی در صنایع پلی یورتان به جای استفاده از انواع پایه نفتی رونق بیشتری داشته باشند.

همچنین یکی از ویژگی های برتر پلی استر پایه گیاهی، خاصیت بازدارندگی از آتش گرفتن بیشتری در مقایسه با پلی استر های  پایه نفتی دارند.

زنجیر افزاینده ها (Chain Extenders)

نحوه عملکرد زنجیر افزاینده ها: پلی یورتان ها از دو بخش سخت و نرم تشکیل شده اند. بخشهای نرم شامل پلیول و بخش های سخت شامل ایزوسیانات و زنجیرافزاینده میباشد.

زنجیر افزاینده ها به دو گروه دیول ها(diols) و دی آمین های آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم بندی می شوند.

گلایگول

تصویر یک مولکول دیول(گلایگول)

 

افزاینده های زنجیر به منظور طویل تر کردن زنجیر سخت پلی یورتان ها، افزایش چگالی پیوند های هیدروژنی و تنظیم وزن ملکولی زنجیرهای پلی یورتانی به کار برده می شوند.

قابل ذکر است که پلی یورتان هایی که در آن ها افزاینده زنجیر آلیفاتیک بکار رفته ، نسبت به پلی یورتان هایی که در آنها افزاینده زنجیر آروماتیک بکار گرفته شده، نرم تر می باشند.

اتصالات عرضی (Cross-linkers)

اتصالات عرضی که توسط کراس لینکرها صورت میپذیرد باعث شبکه ای شدن ساختار پلیمر میگردد (اصطلاحاً ساختار تاروپودی به زنجیره های پلیمری می دهد).

مفهوم اتصال عرضی (شبکه ای شدن) را میتوان در نمای زیر ( پدیده ولکانیزاسیون در ساخت لاستیک) درک نمود.

کراس لینکرها تریول هایی (triols) با وزن مولکولی پایین هستند.

مولکول تریول

تصویر یک مولکول تریول(گلیسرول)

خواص فیزیکی و مکانیکی  پلی یورتان ها به شدت به میزان جدایش فازی فی مابین سگمنت های نرم و سخت و اتصالات میانی سگمنت های سخت وابسته است.

کاتالیست ها (Catalysts)

جهت تنظیم سرعت آغاز و اختتام واکنش های پلی یورتان ها از انواع مختلفی از کاتالیست ها استفاده می شود. مهترین انواع کاتالیست های بکاررفته در شیمی پلی اورتان ها کاتالیست های اسیدی، کاتالیست های بازی و ترکیبات آلی شامل جیوه و روی می باشند.

انواع کاتالیست های کاربردی

  • کاتالیست های ژلینگ
  • کاتالیست های بلوئینگ
  • کاتالیست های سیکلوتریمریزاسیون
  • Delayed کاتالیست ها

سیلیکون ها – سیلیکون سورفکتانت

سیلیکون سورفکتانت

هنگامی که صحبت از سیلیکونها میشود در ارتباط آنها با پلی یورتان اولین چیزی که به ذهن خطور میکند جداکننده های سیلیکونی قالب(به اصطلاح واکس قالب) میباشد.

اما آنچه که در این مبحث به آن میپردازیم نقش سیلیکون در ساختار و کیفیت فوم پلی یورتان میباشد.

انواع مختلفی از سیلیکون ها و تاثیر هریک بر پلی یورتان وجود دارد که هریک را با توجه به نوع کاربری و ساختار فوم مورد نظر انتخاب میکنند. بعنوان مثال برای تولید فومهای سخت (ریجید) نوع سیلیکون انتخابی متفاوت از سیلیکون انتخابی برای فوم های نرم (فلکسیبل) میباشد.

همانطور که میدانیم تمام فومهای پلی یورتان ساختاری سلولی دارند که هر سلول را میتوان مشابه توپ چهل تیکه فرض کرد. که هریک از بعدهای این توپ میتواند مانند پنجره ای باز یا بسته باشد. هرچه تعداد سلولهای بسته بیشتر باشد فوم سخت تر میگردد و هرچه تعداد سلولهای باز بیشتر گردد فوم ساختار نرم تری پیدا میکند.

در فوم های سخت با توجه به نوع کاربری باز هم انتخاب سیلیکون به مولفه های دیگری نیز ارتباط پیدا میکند. ( نظیر نوع گاز پف زای مصرفی ، چسبندگی فوم به متال، محدوده دانسیته مورد نظر و …).

ولیکن بطور کلی عملکرد و نقش سیلیکون را به این شکل بیان میکنند:

سیلیکون به منظور تنظیم سایز سلولهای ساختاری فوم ، بهبود پایداری ابعادی فوم و بهبود کیفیت نهایی فوم بکار میرود.

اگر در تصویر زیر که توسط میکروسکوپ الکترونی از نحوه آرایش سلولها تهیه شده است دقت کنید به خوبی تاثیر میزان غلظت سلیکون در اندازه سلولها مشخص میباشد.

­­­­­­­­­­­­

نکته: سیلیکون در واحدهای مختلف وزنی (معمولا 2.5 تا 0.5 درصد ) به پلیول اضافه می گردد.

در فوم های ریجید، دانسیته مهمترین عامل در کنترل خواص مکانیکی و حرارتی فوم محسوب میشود. نقش سیلیکون بدین قرار است که با افزایش غلظت سیلیکون تعداد سلولهای بسته افزایش یافته همچنین اندازه سلولها نیز کاهش میابد در نتیجه دانسیته افزایش میابد. همچنین کاهش اندازه سلولها همراه است با کاهش هدایت گرمایی.

با توجه به موارد ذکر شده انتخاب سیلیکون مناسب در کیفیت نهایی فوم مولفه ای بسیار مهم و حائز اهمیت میباشد.

نمودار تاثیر افزایش مقدار سیلیکون بر پارامترها

عوامل پف زا (فوم ساز) (Blowing agents)

عوامل پف زا بمنظور کاهش دانسیته فوم بکار میروند. این مواد به دو صورت شیمیایی یا فیزیکی تقسیم بندی میشوند. عوامل پفزای شیمیایی همچون آب با ایزوسیانات واکنش شیمیایی داده و گاز دی اکسید کربن را متصاعد میکنند و باعث رشد فوم و کاهش دانسیته میشوند.

ولیکن عوامل پفزای فیزیکی(مثل خانوادهذکلروفلورو کربنها و هیدروکربنهایی چون پنتانها) بدلیل دمای جوش پایینی که دارند در اثر گرمای واکنش تبخیر شده و باعث رشد فوم و کاهش دانسیته میشوند.

 افزودن مواد پف زای کمکی به مخلوط واکنش ، منجر به تشکیل فوم های سخت و منعطف می شوند. از جمله عوامل پف زای اصلی می توان به کلروفلوئوروکربن ها(CFCs)  به ویژه (CFC-11) و (CFC-12) اشاره کرد. همچنین گازهای (CFC-11) یا متیلن کلراید نیز در تولید فوم های منعطف با دانسیته کم مورد استفاده قرار می گیرند.

به دلیل اثرات زیان بار ترکیبات حاوی کلر(مانند CFCs و متیلن کلراید) در تخریب لایه اوزون، عوامل پف زای دیگری به عنوان جایگزینی جدید گسترش یافتند، که شامل ترکیبات هیدروفلوئوروکربنات (HFC) سیکلوپنتان و استون می باشند. همچنین در فرمولاسیون های جدید امکان استفاده از آب به عنوان عامل پف زا در تولید فوم های خود پوسته سخت و نرم فراهم شده است.

عمدتاً کاتالیزورهای این واکنش آمین های نوع سوم هستند؛ با این حال، برخی از اکسید های فلزی نیز موثر می باشند. برای پایداری فوم، از سیلیکون ها یا سورفکتانت های خاصی استفاده می شود.

تکنیک فوم ‌سازی سبز بدون استفاده از (CFC)، دارای قابلیت خودچسبندگی بسیار عالی  (بدون نیاز به استفاده از مواد واسطه ‌ای برای ایجاد اتصال)، قابلیت اتصال قوی با موادی از قبیل چوب، فلز، آجر، شیشه و غیره و همچنین خواص شیمیایی پایدار، طول عمر زیاد و عدم ایجاد آلودگی زیست ‌محیطی می‌باشد. در فوم‌ های سلول بسته، نرخ مسدود شدن 95%  است.

علاوه بر اجزای ذکر شده، به منظور سنتز فومی با خواص ویژه ممکن است از یک یا ترکیبی از مواد افزودنی خاص نیزاستفاده شود.

ازجمله مواد افزودنی که باعث ایجاد تغییر در ویژگی سوختن فوم ها می شوند روند سوختن فوم را به تاخیر میاندازند (کندسوز کننده ها)، رنگدانه ها؛ باکتریوستات؛ پرکننده های معدنی مانند فیبر شیشه ای، سیلیس و سولفات باریم؛ پرکننده های آلی، مانند پلاستیک های ملامین و فسفات استر؛ عوامل آنتی استاتیک؛ پایدار کننده UV؛ بازکننده های سلولی؛ و … 

کند سوز کننده ها (Flame Retardants)

پلي يورتان ها به دليل كاربرد فراوانی که در بخش هاي مختلف مانند صنعت خودروسازي، پزشكي، ساخت و ساز، صنايع هوايي و غیره دارند به طور جدي مورد توجه می باشند. اما اشتعال پذيري پلي يورتان مي تواند كاربرد اين پليمر را در برخي از كاربردها محدود نماید.

بنابران در سال هاي اخير تلاش هاي زيادي براي کند سوز كردن اين پليمر پركاربرد صورت گرفته است. براي کند سوز كردن پلي يورتان ها از کند سوزكننده ها استفاده مي شود. کند سوزكننده ها موادي هستند كه در ساختار آنها به جاي كربن وهيدروژن يكي از عناصر فسفر، هالوژن، نيتروژن، گوكرد وغیره يافت مي شود.

براي کند سوز كردن پلي يورتان ها مي توان دو روش بكار برد، كه اولي استفاده از تركيبات افزودني کند سوز كننده در ماتريس پليمر مي باشد و ديگري استفاده از مواد کند سوز كننده ي واكنش پذير مي باشد. افزودني ها به دليل پديده ي مهاجرت براي کند سوز كردن زياد مناسب نمي باشند.

کند سوز کننده ها توسط یک یا تعدادی از مکانسیم های زیر عمل می کنند:

  • به طور شیمیایی در مکانیسم انتشار شعله دخالت می کنند؛
  • ممکن است حجم بالایی از گازهای احتراق ناپذیر را تولید کنند که از مصرف اکسیژن بکاهند؛
  • ممکن است با انجام واکنش و تجزیه شدن از طریق واکنش های گرماگیر، سبب جذب گرما شوند؛
  • با ایجاد پوشش نفوذ ناپذیر مقاوم در برابر آتش، از دسترسی اکسیژن به پلیمر ممانعت نمایند.

از کند سوزکننده ها می توان به گروه های فسفات آلی مانند تری کرزیل فسفات (TCP)، گروه های هالوژن دار(نظیر پارافین های کلردار، هالوفسفات ها، ترکیبات آروماتیک برم دار مانند تری برموتولوئن و پنتا برموفنیل آلیل اتر)، اکسید آنتیموان، دی اکسید تیتانیم، اکسید روی، اکسید مولیبدن و تری هیدارت آلومنیوم (ATH) اشاره نمود.

متاسفانه استفاده از دیرسوز کننده ها در پلیمرها به علت این که تلفات حاصله از آتش سوزی اکثراً به خاطر محصولات سمی ناشی از دود حاصله می باشد، پیچیده می باشد و لذا راه حل های دیگری را الزامی نموده است.

از این دسته می توان به استفاده از مواد پفکی شکل که در زمان گرم شدن متورم شده و ماده قابل احتراق را از آتش و اکسیژن دور نگه می دارد اشاره کرد. روش دیگر، سعی در توسعه پلیمرهایی نظیر رزین های فنولی است که با تبدیل شدن به زغالی سخت در حین سوختن، مواد قابل احتراق رزین را محافظت نماید.

افزایش مقاومت به آتش با مواد کندسوز

مقاومت به آتش فوم پلی یورتان یا میزان شعله پذیری فوم پلی یورتان که با افزودن مواد کند سوز کننده کنترل می شود، شامل میزان و سرعت آتش گرفتن، سرعت سوختن فوم و میزان دود متصاعد شده از شعله بستگی دارد. در انتخاب مواد تاخیر انداز شعله باید به مواردی شامل سازگاری با مواد اولیه و افزودنی های پلی یورتان و عدم مهاجرت از فوم تشکیل شده را مد نظر قرار داد.

به علاوه، خواص فیزیکی فوم تشکیل شده تا حد امکان می بایست ثابت بماند و در حین آتش گرفتن فوم نباید از خود دود و گازهای سمی منتشر کند.

مزیت فوم کند سوز مقاوم به آتش

گاهی بنا به دلایل فنی یا قانونی، لازم است مقاومت به آتش فوم پلی یورتان افزایش یابد. یکی از موثرترین روش های تبدیل فوم پلی یورتان به ماده ای کندسوز، اضافه کردن ترکیبات هالوژنه به داخل مواد اولیه پلی یورتان است.

معمولا اکثر مواد کند سوز متداول، با وجود کمک به کاهش سرعت سوختن فوم پلی یورتان، تاثیرات مخربی بر کیفیت فوم نهایی خواهد گذاشت که از جمله می توان به تغییر رنگ و تخریب کیفیت فوم در حین فرایندپخت فوم، سوختن و هیدرولیز سریع فوم در تماس با آب اشاره نمود لذا استفاده از مواد کندسوز جدید که این معایب را به حداقل برساند ضروری می باشد.

فوم پلی یورتان به عنوان یک ترکیب آلی با قرار گرفتن در معرض شعله در حضور اکسیژن ( مثلث آتش) خواهد سوخت. حالت فیزیکی پلیمر پلی یورتان هم تاثیر زیادی بر سرعت سوختن خواهد گذاشت. به عنوان مثال، فوم های نرم پلی یورتان (مانند فوم مبلی) به عنوان یک فوم سلول باز، دارای مساحت سطح بالایی است که امکان نفوذ مقدار زیادی هوا (اکسیژن) به داخل آن را فراهم می سازد که باعث سوختن و آتش گرفتن سریع فوم می گردد.

به همین دلیل و به منظور کاهش سرعت انتشار شعله در فوم پلی یورتان، معمولا موادی به داخل مواد اولیه پلی یورتان اضافه می شود که اصطلاحا مواد تاخیر انداز شعله، کند کننده شعله یا بازدارنده آتش معروفند. البته گاهی به این مواد فوم نسوز نیز به اشتباه گفته می شود که همانطور اشاره شد، فوم پلی یورتان با توجه به اینکه یک ترکیب آلی می باشد، افزودن مواد کند سوز فقط سرعت انتشار آتش را کاهش می دهد.

همچنین باید توجه داشت که انتخاب نوع و میزان مواد کند سوز بستگی به انتظارات ما و کاربرد فوم پلی یورتان دارد که در آزمایشگاه و تحت استانداردها (مثلاً استاندارد B2) و شرایط خاصی صورت می پذیرد.

مثلث آتش

مثلت آتش

مقاومت به آتش فوم پلی یورتان یا میزان شعله پذیری فوم پلی یورتان که با افزودن مواد کند سوز کنترل می شود، شامل میزان و سرعت آتش گرفتن، سرعت سوختن فوم و میزان دود متصاعد شده از شعله بستگی دارد.

در انتخاب مواد تاخیر انداز شعله باید به مواردی شامل سازگاری با مواد اولیه و افزودنی های پلی یورتان و عدم مهاجرت از فوم تشکیل شده ا را مد نظر قرار داد. به علاوه، خواص فیزیکی فوم تشکیل شده تا حد امکان می بایست ثابت بماند و در حین آتش گرفتن فوم نباید از خود دود و گازهای سمی منتشر کند.

در فوم نرم پلی یورتان ( فوم سرد یا گرم) که عمدتا در صنایع مبل و صندلی خودرو مورد استفاده قرار می گیرد، پر مصرف ترین تاخیر انداز شعله استرهای فسفات کلر می باشد. پارافین کلره و پودر ملامین نیز از دیگر مواد کند سوز رایج در بازار می باشد.

با این وجود، افزودن مواد کند سوز در ترکیب پلی یورتان می تواند مشکلاتی نیز ایجاد کند. بر اساس تئوری، ترکیبات هالوژنه در فاز گاز عمل می کنند و در فرایند سوختن رادیکال های آزاد اختلال ایجاد می کنند و در نهایت موجب افزایش مقاومت به آتش فوم پلی یورتان می گردد.

مواد کند سوز کننده جامد

مواد کندسوز

معمولا به دلیل اینکه ترکیبات و افزودنی های تشکیل دهنده فوم پلی یورتان مایع می باشند، مواد کند سوز مایع به جامد ترجیح داده می شوند.

با این حال، مواد کند سوز جامد که معمولا از لحاظ هزینه به صرفه تر می باشند، نیز در حال استفاده در صنایع پلی یورتان می باشند. مواد بازدارنده شعله جامد دارای معایبی از جمله نیازبه یک حامل برای دوغابی و روان نمودن ذرات جامد و استفاده در فاز مایع دارند. همچنین طول عمر دستگا ه های اندازه گیری و پمپ ها به دلیل طبیعت ساینده بودن ذرات جامد کند سوز معلق در مایع پلی یورتان، کاهش می یابد.

پلیمر پی وی سی به شکل پودر یا پولک یک تاخیر انداز در شعله نرم و ارزان است و معمولا در مواقع نیاز به استاندارد های تست شعله متوسط استفاده می گردد. نگرانی هایی در مورد ایجاد اسید کلریدریک در حین آتش گرفتن فوم حاوی پی وی سی وجود دارد. فسفات های آمونیوم با استرهای فسفات هالوژنه مایع از دیگر مواد کند سوز جامد مورد استفاده است.

پلیمر پی وی سی به شکل پودر کند سوز

تری هیدرات آلومینیوم به عنوان ماده کند سوز فوم پلی یورتان

ترکیبی از مواد کند سوز مایع و جامد اثرات مخرب کمتری بر خواص فیزیکی فوم در مقایسه با مواد کند سوز جامد یا مایع به تنهایی دارد. در فوم پلی یورتان با برگشت پذیری بالا (HR)، ترکیباتی مانند تری اکسید آنتیموان، تری هیدرات آلومینا در کنار استر فسفات هالوژنه مایع استفاده می شود. حضور هر دو ترکیب کلردار و فسفری در بهبود عملکرد فوم کند سوز موثر است.

افزودن تری هیدرات آلومینیوم موجب کاهش سرعت شعله وری فوم پلی یورتان می گردد و در عین حال دود حاصل از سوختن فوم را به حداقل می رساند. هیدروکسید آلومینیوم در دمای ۱۸۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد به اکسید آلومینیوم و آب تجزیه می گردد.

اثر بخشی هیدروکسید آلومینیوم در کندسوز نمودن فوم پلی یورتان به این صورت است که گرمای مورد نیاز برای تجزیه از سیستم تامین می شود و بخار آب تولید شده، گاز حاصل از تجزیه پلیمر را رقیق می کند. اکسید آلومینیوم تولید شده نیز به عنوان یک لایه عایق از انتشار گرما جلوگیری می کند.

پودر ملامین از لحاظ هزینه مناسب تر است، دانسیته پایین تری دارد و هنگامی که به همراه کند سوز فسفات (مانند پلی فسفات آمونیوم) استفاده می شود اثر بخشی بیشتری در فوم نرم مبلی دارد. ملامین در حین سوختن ذوب شده که به عنوان عایق از توسعه و انتشار شعله در فوم پلی یورتان در حال سوختن جلوگیری می کند و همچنین یک گاز غیر قابل اشتعال تولید می کند.

مواد کند سوز مایع

به دلیل کارایی بالا، ترکیبات حاوی هالوژن پیوند خورده آلیفاتیکی یا ترکیبی از مواد هالوژن آلیفاتیکی و فسفری در میان اولین مواد کند سوز مورد استفاده در صنعت به شمار می آیند. بسیاری ازمعیارهای استاندارد فوم مبلی و فوم صندلی خودرو را می توان با افزودن ۵ تا ۱۰ درصد استرهای فسفات کلر بر آورده ساخت.

یکی از پرکاربردترین مواد کند سوز مورد استفاده در فوم نرم و فوم سخت، استرهای فسفات کلر می باشد. این مواد تاثیر مهمی بر کاهش احتمال آتش گرفتن فوم توسط یک عامل گرمایی ناچیز دارد و همچنین تاثیر قابل توجهی بر کاهش سرعت سوختن بدون ایجاد اثرات منفی بر فرایند پذیری مواد اولیه پلی یورتان و کیفیت فوم نهایی خواد داشت.

فسفات کلر کند سوز

مواد کند سوز مایع پر مصرف ترین نوع در فوم نرم پلی یورتان اند (همانند ماده کند سوز TCPP) اما با وجود مزیت در راحتی کار با آن ها و سازگاری با دیگر مایعات ترکیب پلی یورتان، دارای معایبی نیز هستند. یکی از این مشکلات فراریت آنهاست، دمای داخلی فوم پلی یورتان در حین آتش سوزی به بالای ۱۶۰ درجه سانتی گراد می رسد و مایعات فرار با وزن مولکولی پایین که قادر به تبخیر شدن از فوم دارند بر شدت آتش سوزی اثر می گذارد.

یک مشکل حتی بزرگتر در رابطه با فرایند پخت گرمازای فوم پلی یورتان، تغییر رنگ فوم به دلیل پایداری حرارتی پایین مواد کند سوز مایع می باشد. این رنگ زدایی یا سوختن، بیشتر در مواد کند سوز حاوی هالوژن های آلیفاتیک رایج است. پیشنهاد شده که میزان اسیدی بودن به خاطر هیدروهالوژن زدایی، اکسیداسیون پلیول را تسریع می کند.

نقش برم با پیوند آروماتیکی موجب کاهش سوختن و رنگ زدایی فوم می شود و مواد کند سوز حاوی برم در فوم های نرم پلی یورتان به منظور جلوگیری از سوختن فوم مورد استفاده قرار می گیرند. اسید های هیدروهالوژنه تشکیل شده باعث کاهش مقاومت تراکم پذیری (IFD) در فوم های نرم پلی یورتان می شود.

تجزیه هیدرولیتی مواد کند سوز نیز می تواند یک مشکل محسوب شود به ویژه در فوم پلی یورتان پلی استر که با قرار گیری در معرض رطوبت در دمای بالا فرسوده می شود. مشکل دیگر مربوط به ناپایداری هیدرولیتی مواد کندسوز سرعت پخت محصول نهایی است. نمونه های اسیدی تولید شده سبب خنثی شدن کاتالیست های آمینی و فلزی می گردد که منجر به کند شدن فرایند پخت فوم می گردد.

سوالات و نظرات خود را با تیم تخصصی پلی یورتان ایران در میان بگذارید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

فهرست