مروری کوتاه بر بازدارندگی شعله در مواد پلیمری

نوع مقاله: تالیفی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری شیمی کاربردی/دانشگاه صنعتی امیرکبیر-گروه شیمی

2 هیات علمی/دانشگاه صنعتی امیرکیبر-گروه شیمی

چکیده

پلیمرها به‌دلیل خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوب، در بسیاری از کاربردها جایگزین فلزات شده‌اند. ولی اشتعال‌پذیری و احتراق آن‌ها، استفاده از این مواد را محدود ساخته است. افزون براین، گازهای سمی حاصل از احتراق مواد پلیمری نیز خطرهای ناشی از آتش را افزایش داده است. برای غلبه بر این مشکل، تلاش‌های بسیاری برای بهبود بازدارندگی شعله مواد پلیمری انجام گرفته است. پیرولیز پلیمر در اثر گرما به تشکیل گونه‌های رادیکالی بسیار واکنش‌پذیر •O• ،H و •OH منجر می‌شود. دو گونه اول به‌طور عمده به رادیکال هیدروکسیل (•OH) تبدیل می‌شوند و •OH با شرکت در واکنش ‌گرمازا، گرمای لازم برای گسترش شعله را فراهم می‌کند. بنابراین، مهار •OH باعث ممانعت از پیش‌روی شعله می‌شود. بازدارنده‌های شعله هالوژن‌دار که هالوژن رادیکالی تولید می‌کنند یا بازدارنده‌های فسفاتی فرار که •HPO• ،PO یا •PO2 آزاد می‌کنند، باعث مهار •OH می‌شوند. برای کاهش اشتعال‌پذیری پلیمرها، می‌توان یا ساختار پلیمر را دست‌کاری کرده یا با پوشش‌دهی سطحی پلیمر و منسوجات، لایه سدگری روی آن‌ها ایجاد کرد. در این مقاله، فرایند احتراق مواد پلیمری، سازوکار‌های عمل بازدارنده‌های شعله در فاز بخار و متراکم شامل چاه گرمایی، لایه سدگر، اثر گرماتورمی و جلوگیری از پیش‌روی شعله و نیز پیشرفت‌های اخیر در زمینه نانوساختارهای بازدارنده شعله به‌طور خلاصه بررسی می‌شوند. همچنین، نحوه به‌کارگیری بازدارنده‌های شعله در پلیمرها و کامپوزیت‌ها، سمیت ناشی از احتراق پلیمرها و بازدارنده‌های شعله و نیز آزمون‌های سنجش بازدارندگی شعله، که نمایانگر رفتار گرمایی بازدارنده‌های شعله است، بحث می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Flame Retardancy in Polymeric Materials: A Short Overview

نویسندگان [English]

  • Taher Rahimi-Aghdam 1
  • Zahra Shariatinia 2
1 Ph.D. Candidate in Applied Chemistry, Chemistry Department, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
2 Academic member/Amirkabir University of Technoogy-Department of Chemistry
چکیده [English]

Metals have been replaced by polymers in many applications due to the favorable mechanical and chemical properties of polymers. But flammability and combustibility of polymeric materials are their major shortcoming that limiting their applications. Beside these concerns, toxic gases produced during combustion of polymeric materials increase the fire hazards. To overcome these problems, numerous attempts have been made to improve the flame retardancy of polymeric materials. Pyrolysis of polymer by thermal treatment leads in the formation of highly reactive •O, •H and •OH radicals. The first two species are mainly converted to the hydroxyl radical (•OH) and the •OH radical affords the required heat for fire propagation in an exothermic reaction. Thus, •OH prevention would result in avoiding fire spreading. Halogenated flame retardants produce halogen radicals or volatile phosphate retardants releasing •HPO, •PO or •PO2 radicals, which can inhibit •OH radical formation. For reducing flammability of the polymers, it is possible to either change the polymer structure or create a protecting layer on the surface of polymers and textiles using surface coating. This paper aims to give a short overview on fundamentals of polymeric materials combustion, modes of action of flame retardants in both vapor and condensed phase including: heat sink, barrier layer, intumescent effect, prevention of flame propagation, as well as, recent developments in nanostructure flame retardants. We also highlight the applications of flame retardants in polymeric materials and composites, toxicity of flame retardant and the fire retardancy tests, which have been used to describe fire behavior, nature and modes of flame retardant materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • flame retardancy
  • nanostructure
  • combustion
  • polymeric material
  • composite
1.
Oprisan G., Taranu N., Munteanu V., and Entuc I., Application
of Modern Polymeric Composite Materials in Industrial Construction, (Buletinul Institutului Politehnic Din Iaşi) Bull. Polytech. Ins., 56, 121-131, 2010.
2.
Bar M., Alagirusamy R., and Das A., Flame Retardant Polymer
Composites, Fibers Polym., 16, 705-717, 2015.
3.
Kiliaris P. and Papaspyrides C., Polymer/Layered Silicate (Clay) Nanocomposites: An Overview of Flame Retardancy,

Prog. Polym. Sci., 35, 902-958, 2010.
4.
Polymer Green Flame Retardants, Papaspyrides C.D. and Kiliaris P. (Eds.), Elsevier, Netherlands, 3-6, 2014.
5.
Flame Retardants for Plastics and Textiles: Practical Applications,
Weil E.D. and Levchik S.V. (Eds.), Hanser, Germany, 303-333, 2015.
6.
Weil E.D. and Choudhary V., Flame-Retarding Plastics and Elastomers with Melamine, J. Fire Sci., 13, 104-126, 1995.
7.
Fire Retardancy of Polymeric Materials, Wilkie C.A. and Morgan A.B. (Eds.), CRC, USA, 239-241, 2009.
8.
Shariatinia Z., Javeri N., and Shekarriz S., Flame Retardant Cotton Fibers Produced Using Novel Synthesized Halogen-Free Phosphoramide Nanoparticles, Carbohydr. Polym., 118, 183-198, 2015.
9.
Fire Retardant Materials, Horrocks A.R. and Price D. (Eds.), Woodhead, England, 1-51, 2001.
10.
Hesami M., Bagheri R., and Masoumi M., A Review on Flame Retardancy of Epoxy Resin-Part II: Nano Filler Flame Retardants,
Polymerization (Persian), 3, 49-59, 2013.
11.
Han Y., Wang T., Gao X., Li T., and Zhang O., Preparation of Thermally Reduced Graphene Oxide and the Influence of its Reduction Temperature on the Thermal, Mechanical, Flame Retardant Performances of PS Nanocomposites, Composites Part A, 84, 336-343, 2016.
12.
Guo W., Yu B., Yuan Y., Song L., and Hu Y., In Situ Preparation of Reduced Graphene Oxide/DOPO-Based Phosphonamidate Hybrids Towards High-Performance Epoxy Nanocomposites, Composites Part B, 123, 154-164, 2017.
13.
Yuan B., Hu Y., Chen X., Shi Y., Niu Y., Zhang Y., He S., and Dai H., Dual Modification of Graphene by Polymeric Flame Retardant and Ni(OH)2 Nanosheets for Improving Flame Retardancy
of Polypropylene, Composites Part A, 100, 106-117, 2017.
14.
Luo J., Yang S., Lei L., Zhao J., and Tong Z., Toughening, Synergistic
Fire Retardation and Water Resistance of Polydimethylsiloxane
Grafted Graphene Oxide to Epoxy Nanocomposites
with Trace Phosphorus, Composites Part A, 100, 275-284, 2017.
15.
Liu S., Fang Z., Yan H., Chevali V.S., and Wang H., Synergistic
Flame Retardancy Effect of Graphene Nanosheets and Traditional Retardants on Epoxy Resin, Composites Part A, 89, 26-32, 2016.
16.
Jiao C. and Chen X., Synergistic Effects of Titanium Dioxide with Layered Double Hydroxides in EVA/LDH Composites, Polym. Eng. Sci., 51, 2166-2170, 2011.
17.
Ghiyasiyan-Arani M., Masjedi-Arani M., Ghanbari D., Bagheri
S., and Salavati-Niasari M., Novel Chemical Synthesis and Characterization of Copper Pyrovanadate Nanoparticles and its Influence on the Flame Retardancy of Polymeric Nanocomposites,
Sci. Rep., 6, 1-9, 2016.
18.
Norouzi M., Zare Y., and Kiany P., Nanoparticles as Effective Flame Retardants for Natural and Synthetic Textile Polymers: Application, Mechanism, and Optimization, Polym. Rev., 55, 531-560, 2015.
19.
Zhang C., Liang Z., Wang B., and Wu Q., Fire and Smoke Retardant
Composite Materials, US Pat. 13,089,013, 2013.
20.
Yang S., Wang J., Huo S., Wang M., and Wang J., Preparation and Flame Retardancy of a Compounded Epoxy Resin System Composed of Phosphorus/Nitrogen-Containing Active Compounds,
Polym. Degrad. Stab., 121, 398-406, 2015.
21.
Hashemikia S. and Montazer M., Sodium Hypophosphite and Nano TiO2 Inorganic Catalysts along with Citric Acid on Textile
Producing Multi-Functional Properties, Appl. Catal., A, 417, 200-208, 2012.
22.
Ghanbari D. and Salavati-Niasari M., Synthesis of Urchin-Like Cds-Fe3O4 Nanocomposite and its Application in Flame Retardancy of Magnetic Cellulose Acetate, J. Ind. Eng. Chem., 24, 284-292, 2015.
23.
Zhou K., Gui Z., Hu Z., Jiang S., and Tang G., The Influence of Cobalt Oxide–Graphene Hybrids on Thermal Degradation,
Fire Hazards and Mechanical Properties of Thermoplastic
Polyurethane Composites, Composites Part A, 88, 10-18, 2016.