گردایش لایه‌به‌لایه: رهیافتی نوین به بهبود بازدارندگی شعله اسفنج‌های پلی‌یورتان

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 دانشگاه اصفهان

2 دانشگاه اصفهان-دانشکده شیمی

10.22063/basparesh.2020.2736.1521

چکیده

بیشترین مقدار تولید محصولات پلی‌یورتانی به اسفنج‌های پلی‌یورتان سخت و انعطاف‌پذیر اختصاص دارد. اسفنج‌‌های سخت اغلب به­عنوان عایق‌های گرما در یخچال­ها، ساختمان‌ها و صنایع خودروسازی استفاده می‌شوند. اسفنج‌های انعطاف‌پذیر نیز عمدتاً در صندلی خودرو، تشک و صنایع مبلمان به­کار می‌روند. به­طور کلی، اسفنج‎‌های پلی‌یورتان به­دلیل ساختار متخلخل، سطح تماس زیاد و همچنین نفوذپذیری هوا به­طور ذاتی اشتعال‌پذیری زیادی دارند. ترکیبات حاوی فسفر، هالوژن، نیتروژن و سیلیکون می­توانند به­عنوان بازدارنده‌های شعله سبب کاهش اشتعال‌پذیری اسفنج‌های پلی‌یورتان شوند. همچنین، وجود گروه‌های مقاوم گرمایی نظیر کربودی‌ایمید، ایزوسیانورات و ناجورحلقه‌های حاوی نیتروژن در ساختار اسفنج‌های پلی‌یورتان نیز سبب افزایش بازدارندگی شعله در آن­ها می­شود. طی دو دهه‌ گذشته، روش کارآمدی به­نام گردایش لایه­به­لایه (LbL) به­منظور ایجاد پوشش‌های نانوساختار بازدارنده شعله بر سطوح اسفنج‌های پلیمری معرفی شده ‌است. در این روش، پلیمرها، نانوذرات و ترکیبات گوناگون به­صورت لایه‌های نازک از راه برهم­کنش‌های ثانویه نظیر نیروهای الکتروستاتیک، پیوند‌های هیدروژنی و برهم­کنش‌های واندروالس روی سطوح اسفنج‌های پلیمری قرار می‌گیرند. در این مطالعه، پس از شرح­دادن ضرورت بازدارندگی شعله و انواع روش‌های ایجاد آن در اسفنج‌های پلی‌یورتان، روش گردایش لایه­به­لایه و کاربرد آن در بهبود بازدارندگی شعله اسفنج‌های پلی‌یورتان، سازوکار بازدارندگی شعله پوشش‌های LbL و انواع آن­ها معرفی می­شوند. در پایان نیز پیشنهادهای مرتبط با بهبود کارایی این پوشش‌ها ارائه می­شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Layer-by-Layer Assembly: A Novel Approach to Improve the Flame Retardancy of Polyurethane Foams

نویسندگان [English]

  • Abbas Mohammadi 1
  • Saman Abrishamkar 2
1 University of Isfahan
2 University of Isfahan
چکیده [English]

Polyurethane foams (PUFs) are the largest group of polyurethane products and can be classified into rigid and flexible foams. Rigid polyurethane foams are mainly used for heat insulation in refrigeration, construction, and partly in automotive industry. Flexible polyurethane foams can be also widely used in fabrication of car seat and furniture industry. In general, due to the porous structure, large surface area, and good air permeability, polyurethane foams are highly flammable. Flame retardants containing phosphorus, halogen, nitrogen and silicon can partially reduce the flammability of polyurethane foams. Also, the presence of thermally stable groups such as carbodiimide, isocyanurate, and nitrogen-containing heterocycles in the structure of polyurethane foams can increase their fire resistance. Over the past two decades, a new technique called layer-by-layer (LbL) assembly has been introduced for the preparation of flame retardant nanostructured coatings on the surfaces of polymeric foams. In this method, polymers, nanoparticles and various compounds are placed in thin layers through secondary interactions such as electrostatic forces, hydrogen bonds and van der Waals interactions on the surface of polymeric foam. In this paper, a brief review on the combustion and flame retardancy of polyurethane foams, layer-by-layer assembly technique and its application in improving the fire resistance of polyurethane foams, flame retardation mechanism of LbL coatings and different types of these coatings were presented. Finally, suggestions for improving the efficiency of LbL coatings are discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyurethane foam
  • flammability
  • flame retardant
  • nanocoating
  • layer-by-layer assembly
1. Mohammadi A., Lakouraj M.M., and Barikani M., Preparation and Characterization of p-tert-Butyl Thiacalix ]4[ Arene Imbedded Flexible Polyurethane Foam: An Efficient Novel
Cationic Dye Adsorbent, React. Funct. Polym, 14-23, 83, 2014.
2. Dutta A.S., Recycling of Polyurethane Foams, William Andrew, 17-27, 2018.
3. Szycher M., Szycher’s Handbook of Polyurethanes, CRC, 1999.
4. Chen H.B., Shen P., Chen M.J., Zhao H.B., and Schiraldi D.A., Highly Efficient Flame Retardant Polyurethane Foam with Alginate/Clay Aerogel Coating, ACS Appl. Mater. Interfaces,
8, 32557-32564, 2016.
5. Wang D.Y., Novel Fire Retardant Polymers and Composite Materials, Woodhead, 2017.
6. Lefebvre J., Bastin B., Le Bras M., Duquesne S., Ritter C., Paleja R., and Poutch F., Flame Spread of Flexible Polyurethane Foam: Comprehensive Study, Polym. Test., 23,
281-290, 2004.
7. Singh H. and Jain A., Ignition, Combustion, Toxicity, and Fire Retardancy of Polyurethane Foams: A Comprehensive Review, J. Appl. Polym., 111, 1115-1143, 2009.
8. Stec A.A. and Hull T.R., Assessment of the Fire Toxicity of Building Insulation Materials, Energy Build., 43, 498-506,  2011.
9. Ashida K., Polyurethane and Related Foams: Chemistry and Technology, CRC, 2006.
10. Zhang X., Shen Q., Zhang X., Pan H., and Lu Y., Graphene Oxide-filled Multilayer Coating to Improve Flame-retardant and Smoke Suppression Properties of Flexible Polyurethane
Foam, J. Mater. Sci., 51, 10361-10374, 2016.
11. Chen P., Zhao Y., Wang W., Zhang T., and Song S., Correlation of Montmorillonite Sheet Thickness and Flame Retardant Behavior of a Chitosan–montmorillonite Nanosheet Membrane
Assembled on Flexible Polyurethane Foam, Polymers, 11, 2019.
12. Hammond P.T., Form and Function in Multilayer Assembly:New Applications at the  Nanoscale, Adv. Mater., 16, 1271- 1293, 2004.
13. Kraemer R.H., Zammarano M., Linteris G.T., Gedde U.W., and Gilman J.W., Heat Release and Structural Collapse of Flexible Polyurethane Foam, Polym. Degrad. Stab., 95, 1115-
1122, 2010.
14. Laufer G., Kirkland C., Morgan A.B., and Grunlan J.C., Exceptionally Flame Retardant Sulfur-based Multilayer Nanocoating for Polyurethane Prepared from Aqueous Polyelectrolyte Solutions, ACS Macro Lett., 2, 361-365, 2013.
15. Wang X., Pan Y.T., Wan J.T., and Wang D.Y., An Eco-friendly Way to Fire Retardant Flexible Polyurethane Foam: Layer-by- Layer Assembly of Fully Bio-based Substances, RSC Adv., 4,
46164-46169, 2014.
16. Pan Y., Zhan J., Pan H., Wang W., Tang G., and Song L., Effect of Fully Biobased Coatings Constructed via Layer-by-Layer Assembly of Chitosan and Lignosulfonate on the Thermal,
Flame Retardant, and Mechanical Properties of Flexible Polyurethane Foam, ACS Sustain. Chem. Eng., 4, 1431-1438, 2016.
17. Maddalena L., Carosio F., Gomez J., Saracco G., and Fina A., Layer-by-Layer Assembly of Efficient Flame Retardant Coatings Based on High Aspect Ratio Graphene Oxide and
Chitosan Capable of Preventing Ignition of PU Foam, Polym. Degrad. Stab., 152, 1-9, 2018.
18. Liu L., Wang W., and Hu Y., Layered Double Hydroxide- Decorated Flexible Polyurethane Foam: Significantly Improved Toxic Effluent Elimination, RSC Adv., 5, 97458-97466, 2015.
19. Li L., Ma R., Ebina Y., Iyi N., and Sasaki T., Positively Charged Nanosheets Derived via Total Delamination of Layered Double Hydroxides, Chem. Mater., 17, 4386-4391, 2005.
20. Pan H., Wang W., Pan Y., Song L., Hu Y., and Liew K.M., Formation of Layer-by-Layer Assembled Titanate Nanotubes Filled Coating on Flexible Polyurethane Foam with Improved
Flame Retardant and Smoke Suppression Properties, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 101-111, 2014.
21. Kim Y.S., Harris R., and Davis R., Innovative Approach to Rapid Growth of Highly Clay-filled Coatings on Porous Polyurethane Foam, ACS Macro Lett., 1, 820-824, 2012.
22. Laufer G., Kirkland C., Cain A.A., and Grunlan J.C., Clay– Chitosan Nanobrick Walls: Completely Renewable Gas Barrier and Flame-Retardant Nanocoatings, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 1643-1649, 2012.
23. Cain A.A., Nolen C.R., Li Y.C., Davis R., and Grunlan J.C., Phosphorous-filled Nanobrick Wall Multilayer Thin Film Eliminates Polyurethane Melt Dripping and Reduces Heat
Release Associated with Fire, Polym. Degrad. Stab., 98, 2645- 2652, 2013.
24. Kim Y.S., Davis R., Cain A.A., and Grunlan J.C., Development of Layer-by-Layer Assembled Carbon Nanofiber-Filled Coatings to Reduce Polyurethane Foam Flammability, Polymer, 52, 2847- 2855, 2011.
25. Cain A., Plummer M., Murray S., Bolling L., Regev O., and Grunlan J.C., Iron-containing, High Aspect Ratio Clay as Nanoarmor that Imparts Substantial Thermal/Flame Protection
to Polyurethane with a Single Electrostatically-deposited Bilayer, J. Mater. Chem. A., 2, 17609-17617, 2014.
26. Patra D., Vangal P., Cain A.A., Cho C., Regev O., and Grunlan J.C., Inorganic Nanoparticle Thin Film That Suppresses Flammability of Polyurethane with Only a Single Electrostatically-assembled Bilayer, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 16903-16908, 2014.
27. Davis R., Li Y.C., Gervasio M., Luu J., and Kim Y.S., One-Pot, Bioinspired Coatings to Reduce the Flammability of Flexible Polyurethane Foams, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 6082-
6092, 2015.
28. Vertlib V., Dietiker M., Plötze M., Yezek L., Spolenak R., and Puzrin A.M., Fast Assembly of Bio-inspired Nanocomposite Films, J. Mater. Res., 23, 1026-1035, 2008.
29. Carosio F., Cuttica F., Di Blasio A., Alongi J., and Malucelli G., Layer By Layer Assembly of Flame Retardant Thin Films on Closed Cell Pet Foams: Efficiency Of Ammonium
Polyphosphate Versus DNA, Polym. Degrad. Stab., 113, 189- 196, 2015.