کاربرد گرافن در بهبود خواص شعله و کاهش اشتعال پذیری پلیمر ها

 نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن 

کاربرد گرافن در بهبود خواص شعله و کاهش اشتعال پذیری پلیمرها

.

.

.

توسط : مهندس محمدرضا حقانی

https://telegram.me/polymer30

---

               

     https://telegram.me/polymer30

حذف پلیمر ها از دنیای امروزی نشدنی است.
آینده دنیا را می توان  آدمکی از جنس پلیمرها با مغزی از ابر کامپیوترها تجسم نمود.
تمام جنبه های زندگی بشر امروز به نحوی با پلیمر ها گره خورده است.
کافی است یک لحظه ، جهانی خالی از پلیمر ها را تصور کنید تا به سلطه همه جانبه این مواد به  زندگی انسان پی ببرید.
با اینکه پلیمر ها کاربرد های بی شماری دارند و در تمام جنبه های زندگی ، صنعت و آینده ما نقش به سزایی دارند
با وجود قابلیت ها و توانایی های  فراوانی که دارند و با وجود همه ی مزیت ها و بر تری هایی که از آنها میشناسیم
در حالی که این مواد جایگزین بسیاری از مواد کلاسیک شده اند ،

این گروه بزرگ از مواد یک نقطه ضعف بسیار بزرگ دارند و آن نقطه ضعف چیزی نیست جز گرما .

تمام پلیمر ها چه پلیمر های جنرال پرپوز ، چه پلیمر های پیشرفته ی مهندسی

همگی در برابر دو چیز شدیداً حساس  و آسیب پذیر هستند  :

1-  دما

2-  شعله

و این دو را می توان عیب ، نقص ، یا نقطه ضعف اصلی تمام پلیمر ها در بسیاری از کاربرد های آن ها دانست.

البته زمان هم پارامتر مهم دیگری است که بسیاری از خواص پلیمر ها را تحت تاثیر قرار می دهد اما در اینجا به آن نمی پردازیم.

توجه داشته باشید که در علم مهندسی پلیمر، دو عامل دما و زمان به ترتیب، اصلی ترین فاکتور های اثر گذار بر شرایط  کاربردی یک پلیمر محسوب می شوند، با این وجود در این مقاله، هدف بیان دیدگاهی است که به اثر شعله و اثر اشتعال پذیری در دمای بالا می پردازد.

پلیمر ها بطور عمده از عناصر کربن و هیدروژن تشکیل شده اند

این ذات آلی ، اونها رو شدیداً مستعد اشتعال میکنه و موجب میشه که اکثر اونها با قرار گرفتن  در شرایط مثلث آتش ، نقش سوخت رو بازی کنن.

تا همین اواخر رفتار پلیمر ها در برابر شعله مورد توجه چندانی نبود

ولی در چند سال اخیر استفاده از موادی که بتونن پلیمر ها رو در برابر اشتعال مقاوم تر کنن بسیار مورد توجه قرار گرفته

تا جایی که رفتار اشتعال پلیمر ها در بسیاری از کشور های اروپایی با قوانین و استاندارد های بسیار سخت گیرانه ای مواجه شده.

و بسیاری از پلیمر ها تنها در صورتی اجازه مصرف دارن که بتونن استاندارد های اشتعال پذیری رو پاس کنن

و در سطوح مطلوب و تعریف شده ای از استاندارد های ایمنی در زمینه اشتعال پذیری قرار بگیرند.    

    polymer30

---

تحقیقات بسیاری بر روی اشتعال پذیری و اثر تأخیر انداز های شعله بر روی پلیمر های تجاری و مهندسی صورت گرفته

هدف اصلی ، تبدیل یک پلیمر از ماده ای اشتعال پذیر ، به ماده ایست که وقتی در برابر شعله قرار می گیرد مشتعل نشود

یعنی نتواند مثل سوخت عمل کند ،

بنا بر این هم سطح ایمنی بیشتری داشته باشد

و هم کارایی بیشتری داشته باشد ,

در این زمینه  از مواد متفاوتی استفاده شده است که بتواند اشتعال پذیری پلیمر را کاهش دهد یا به تاخیر بیندازد

دسته بزرگی از این مواد مورد استفاده در کاهش میزان اشتعال پلیمر ها

Halogen-containing Flame Retardants  تأخیر انداز های هالوژنه  و

Phosphorus-Containing Flame Retardants  تأخیر اندازنده های فسفر دار می باشند.

امروزه یکی از متد های بهبود خواص شعله پلیمر ها ، بدون استفاده از به تأخیر اندازنده های شعله هالوژنه ،

استفاده از نانو فیلر ها در کاهش اشتعال پذیری و بهبود خواص حرارتی می باشد

نانو فیلر ها به دلیل مزیت های زیادی که دارند از جمله ایجاد دود کم ، خوردگی کم ، عدم ایجاد گاز های سمی و خورنده در حین تخریب

سمیت کم ، و نیاز به مصرف درصد های بسیار اندک بعلاوه قیمت مناسب ، بسیار مورد توجه هستند.

و این حوزه از نانوتکنولوژی در چند سال اخیر شدیدا مورد توجه دانشمندان ، مهندسان ، صنعتگران و دولتمردان قرار گرفته

تا جایی که ممنوعیت استعمال تأخیر انداز های شعله هالوژنه بصورت قانون در بسیاری از کشور های اروپایی اعمال می شود.

استفاده از تشکیل ساختار پلیمر-نانوکامپوزیت Polymer - Nanocomposite  یک راه حل جدید و موثر در بهبود خواص اشتعال پذیری پلیمر ها می باشد.

مزیت قابل توجه نانو فیلر ها این است که تنها با استفاده ازمقدار بسیار اندک (کمتر از 5 تا 10 درصد وزنی )

بطور قابل ملاحظه ای ، پایداری حرارتی Thermal stability  ، به تأخیر افتادگی شعله و خواص مکانیکی پلیمر ماتریس را بهبود می بخشند

و به تنهایی نقش چندین افزودنی را بازی می کنند.

---

  در طول چند سال گذشته ، (Boehmite (AlOOH  بوهمیت (نوعی هیدروکسید معدنی آلومینیم که از سنگ بوکسیت بدست می آید )

بطور گسترده ای به عنوان افزودنی تأخیر اندازنده شعله در آمیزه های پلی کربنات اکریلونیتریل بوتادی ان استایرن مورد استفاده قرار گرفته است.

 از جمله تأخیر انداز های شعله تجاری برای آمیزه های PC/ABS  ، می توان ترکیبات فسفر دار مثل فسفات های آروماتیک مثل

تری فنیل فسفات Triphenyl phosphate TPP

ریزورسینال بیس دی فنیل فسفات  Resorcinal bis ( diphenyl phosphate ) RDP

بیس فنل آ بیس دی فنیل فسفات Bisphenol A bis ( diphenyl phosphate )  BDP

را نام برد که بطور گسترده ای کاربرد تجاری و صنعتی دارند ، چون بصورت هموژن با فاز پلی کربنات مخلوط می شوند.

از مخلوط های ترکیبات فسفات و تفلون مثل BDP/PTFE  و  TPP/PTFE  نیز بعنوان تأخیر انداز های شعله آلیاژها و آمیزه های پلی کربنات ای بی اس استفاده می شود.

از تآخیر انداز های پایه سیلیکون نیز برای بهبود خواص شعله اکریلونیتریل بوتا دی ان استایرن و آلیاژ های آن با پلی کربنات استفاده می شود.

از دیگر مواد ناو مطالعه شده به منظور اصلاح خواص اشتعالی این پلیمر های پر کارد تجاری ، نانولوله های کربن است

که البته بیشتر در اهدافی مثل تقویت مکانیکی ماتریس بکار گرفته می شود.

بعلاوه نانو لوله های کربن بسیار گران قیمت هستند و تنها در کاربرد های مهندسی خاص مورد استفاده صنعتی قرار می گیرند

و کار های علمی انجام شده بیشتر جنبه تحقیقاتی داشته است..

.

.

.

در سالهای اخیر نانوکامپوزیت های گرافن و گرافن عامل دار شده

در انواع بسیار متنوعی در کاربرد های گوناگون جهت  اصلاح خواص پلیمر ها بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

تنها در سال 2010 حدود 3000 مقاله در مورد گرافن منتشر شده است.

گرافن به دلیل خواص بسیار منحصر به فردی که دارد، هم برای مهندسین و هم برای دانشمندان بسیار اهمیت دارد.

از جمله خواص اصلی گرافن می توان به مدول یانگ آن اشاره کرد که برابر با یک ترا پاسکال   1TPa  است

استحکام گرافن 100 برابر فولاد است ودر مورد خواص فیزیکی آن گفته می شود که گرافن قوی ترین ماده دنیاست.

گفته می شود که یک صفحه گرافن به ضخامت یک اتم کربن می تواند وزن نوک مدادی که یک فیل بر روی آن قرار گرفته است را تحمل کند !

سرعت حرکت الکترونها درون صفحات گرافن حدود هزار برابر بیشتر از حرکت الکترون در بهترین فلز است

و این ماده تضمین کننده تکنولوژی فوق پیشرفته آینده بشر است.

هیچ ماده ای به اندازه گرافن قابلیت تکنولوژیکی و مهندسی ندارد و تقریبا هر روز یک تکنولوژی به وسیله گرافن متحول می شود

و اخبار تکنولوژی و نانوتکنولوژی این سالها را به خود محدود کرده است.

گرافن موجب تحول عظیم در بسیاری از علوم شده و قوانین فیزیک را نقض کرده است.

استفاده از نانو صفحات تک و چند لایه ی گرافن در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری ، خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر را چندین برابر می کند.

اگرچه در کاربرد های صنعتی از نانو صفحات گرافن تک لایه ، بصورت اصلاح شده ( عامل دار شده ) استفاده می شود

اما ، حتی استفاده از درصد بسیار کمی از گرافن چند لایه اصلاح نشده در آمیزه های پلی کربنات یا اپوکسی

مدول کششی آمیزه را چند برابر می کند و خواص مکانیکی و مهندسی آمیزه ماتریس پلیمر  را به طرز چشم گیری افزایش می دهد.

.

.

.

امروزه از روش های بسیار متنوعی در تهیه نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن استفاده می شود.

از جمله مهم ترین روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن می توان به موارد زیر اشاره نمود :

1-اختلاط مذاب : روش کلاسیک اختلاط پلیمر و فیلر توسط میکسر های دو پیچه

2-اختلاط به روش فراورش محلول : اختلاط پلیمر و گرافن یا گرافن عامل دار ، یا اکسید گرافن در حلال مناسب هر دو  و سپس تبخیر حلال

3-روش پلیمریزاسیون درجا  : در این روش پلیمریزاسیون بر روی سطح گرافن دیسپرس شده شروع می شود

و زنجیره پلیمری یا رزین پلیمری بر روی سطح گرافن رشد می کند

 به عنوان مثالی از این فرایند می توان به واکنش ترموستینگ رزین اپوکسی در حضور گرافن عامل دار شده اشاره کرد

روش اختلاط مذاب با استفاده از اکسترودر های دو پیچه انجام می شود و اگرچه باز دهی کمتری در جدایش لایه های گرافن عامل دار شده دارد

اما روش اختلاط مذاب  روش صنعتی تولید نانوکامپوزیت های پلیمر و گرافن عامل دار شده محسوب می شود و طرف داران بیشتری دارد.

مبحث بسیار مهم دیگر در مورد گرافن ، عامل دار کردن گرافن است

گرافن عامل دار شده علاوه بر اینکه می تواند  بر هم کنش های بسیار مطلوبی با زنجیر های پلیمر داشته باشد

میتواند به صورت صفحات تک لایه و مجزا در توده پلیمر وجود داشته باشد

بنا بر این می تواند نسبت به گرافن ساده و بدون عامل تاثیر بسیار بیشتری در بهبود و پیشرفت خواص فیزیکی و مکانیکی و اشتعال پذیری  پلیمر ماتریس داشته باشد.

در مورد تولید نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن عامل دار شده ، معمولا از گرافن عامل دار شده با پلیمر استفاده می شود

اتصال و ( Graft) گرفت کردن ماکرومولکول ها به گرافن ، نسبت به گروه های عاملی از توجه بیشتری برخوردار است.

زنجیره های ماکرومولکول از خود پایداری حرارتی بیشتری نشان می دهند و علاوه بر این ممانعت فضایی بسیار قوی ای برای جلو گیری از تجمع مجدد صفحات گرافن دارند.

علاوه بر اینها وجود این زنجیر ها اجازه ایجاد اجتماع و یکپارچگی بیشتر گرافن با سیستم های آلی پیچیده را نیز می دهد که این موجب گسترش مواد کامپوزیتی جدید

با خواص بسیار پیشرفته و منحصر بفردی از نسل جدید نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن می شود.

عامل دار نمودن گرافن با زنجیر های طویل پلیمری از دو روش اصلی انجام می شود

1- Grafting from  method' s  : در این روش واکنش پلیمریزاسیون بر روی سطح گرافن شروع می شود و زنجیره پلیمری بر روی سطح گرافن رشد می کند

یعنی کوچک مولکول به نحوی بر روی گرافن  متصل شده و سپس بر روی آن شروع به رشد می کند که این روش همان روش پلیمریزاسیون در جا است

نکته کلیدی در روش  ( in situ polymerization  ) بسپارش درجا نحوه اتصال آغازگر به گرافن است و مرحله اصلی در آن محسوب می شود.

این روش از طریق انواع روش های پلیمریزاسیون از جمله پلیمریزاسیون رادیکالی انتقال اتم ، پلیمریزاسیون های رادیکالی زنده و پلیمریزاسیون مینی امولسیون  انجام شده است.

2-Grafting to method' s  :  در این روش ، ماکرومولکول پیش سنتز شده به گرافن پیوند داده می شود

این روش مستلزم این است که هم پلیمر و هم گرافن دارای گروه های عاملی با پتانسیل ایجاد اتصال کووالانسی با یکدیگر باشند.

.

.

.

گرافن در بین تمام نانو مواد موجود ، بیشترین نسبت سطح به حجم را دارد و مساحت ویژه سطح آن بیش از  (  m²/g)  2600 متر مربع در هر گرم  است .

این خاصیت گرافن ، شدیداً باعث ایجاد برهمکنش های سطحی بین اجزای نانوکامپوزیت گرافن می شود.

علاوه بر تأثیر چشم گیر گرافن بر خواص فیزیکی-مکانیکی پلیمر ها

گرافن موجب بهبود و اصلاح رفتار حرارتی و خواص اشتعالی پلیمر هایی چون پلی کربنات و آمیزه های آن می شود که شدیداً در برابر شعله از خود ضعف نشان می دهند.

در مورد پلی کربنات و آمیزه های آن و همچنین پلی اتیلن ترفتالات و آمیزه های آن

 رفتار پلیمر ماتریس در برابر شعله با مکانیسم های خاصی کنترل می شود که در تحقیق انجام شده بدان پرداخته ایم.

مثلا اکریلونیتریل بوتادی ان استایرن ، در حین سوختن با دود غلیظ و متراکمی می سوزد که وجود گرافن موجب کاهش شدید در فراورده های فرار

و انتشار دود و گاز در آن می شود.

گرافن به طور چشم گیری موجب بهبود خواص فیزیکی  و مکانیکی در رزین های اپوکسی می شود

و در کاربرد های صنعتی و مهندسی فراوانی از نانو کامپوزیت های پیشرفته گرافن و رزین اپوکسی استفاده می شود.

---

 در ادامه ، تحقیقی رو در قالب یک مقاله به فرمت های PDF&, POWER POINT  براتون آوردم

 که موضوع اصلی اون تأثیر افزودن نانو صفحات گرافن بر خواص حرارتی و اشتعال پذیری آلیاژ های( پلی کربنات / اکریلونیتریل بوتادی ان استایرن ) است.

و یک مقایسه بین مکانیسم تأخیر شعله در نانو کامپوزیت های PET/PP/GNP  پلی اتیلن ترفتالات/پلی پروپیلن/گرافن هم به اون اضافه شده

و نتایج و مکانیسم اثر گرافن در بهبود خواص شعله و مکانیسم کنترل اشتعال و تأخیر شعله توسط گرافن

برای هر دو نانو کامپوزیت گرافن از تریق تحلیل نتایج آزمون های شعله آورده شده.

همچنین تأثیر گرافن در افزایش خواص مکانیکی آمیزه پلیمری نظیر مدول یانگ توسط آزمون کشش بر رسی شده.

 تحقیقات انجام شده :

در وهله اول به بیان خواص آلیاژ های مهندسی PC/ABS  پلی کربنات

اکریلو نیتریل بوتادی ان استایرین می پردازه و دلایل آلیاژ سازی این دو پلیمر بی نظیر رو بیان می کنه

در وهله دوم به تاثیر شگرفی که افزودن مقادیر بسیار اندکی گرافن بر این آلیاژها ی پلیمری  داره از جمله افزایش شدید در خواص مکانیکی

بهبود خواص حرارتی و افزایش مقاومت در برابر شعله و به بر رسی میزان و نحوه تغییر در

سایر خواص  شعله این آلیاژ ها می پردازه.

علاوه بر این در این تحقیق ایدئولوژی های نحوه کاربرد گرافن

و همچنین مکانیسم اصلی تاخیر شعله توسط گرافن در نانوکامپوزیت های پلیمر+گرافن

و تأثیری که گرافن بر خواص شعله ی پلیمر ها و نانوکامپوزیت های پایه گرافنی داره مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیره

و شما عزیزان و اساتید بزرگوار رو با نحوه اثر گذاری گرافن بر خواص شعله پلیمر ها و مکانیسم تأخیر اندازی شعله توسط گرافن در نانو کامپوزیت های پلیمری آشنا می کنه.

در قسمت اکسپریمنتال

تستهای مختلفی انجام شده که در فایل اصلی توضیحات مربوط به روش و استاندارد انجام تستها بطور کامل آورده شده

تست های شعله برای بررسی میزان اشتعال پذیری پلیمرها ، نانو کامپوزیت های پلیمری و ...

و بر رسی خواص شعله مواد مورد استفاده قرار می گیرند

تست هایی همچون کالریمتر مخروط و صفحه FTT Cone calorimeter 

آزمون کالریمتر مخروطی که در زیر نمایی از آن را مشاهده می نمایید کامل ترین و مهمترین آزمون بر رسی خواص حرارتی

و اشتعال پذیری در بسیاری از مواد و بخصوص پلیمر ها است که بسیاری از استاندارد ها و آزمون های حرارتی و اشتعال پذیری پلیمر ها را

پوشش می دهد.

به راحتی میتوان با این آزمون به مقایسه پایداری گرمایی نمونه ها و بر رسی نحوه اشتعال پذیری پلیمر ها و نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن پرداخت

و در تمام مقالاتی که در آنها به نحوی خواص شعله ، آتش و نحوه اشتعال پذیری پلیمر ها و نانوکامپوزیت های پلیمری بر رسی می شود

از اطلاعات و آزمون های این تست استفاده می شود.

..

..

..

شاخص حدی اکسیژن  Limiting Oxygen Index (LOI) 

این شاخص نشان می دهد که هر پلیمر در چه غلظتی از اکسیژن میتواند مشتعل بماند

 و در اصل در آن یک نمونه عمودی را در محیطی که در آن مخلوطی از اکسیژن و نیتروژن از زیر دمیده می شود مشتعل کرده

و در طول آزمایش درصد اکسیژن را در مخلوط مدام کم میکنیم

در نهایت درصدی ( بصورت درصد حجمی ) از اکسیژن در مخلوط اکسیژن و نیتروژن که در آن نمونه خاموش می شود

بعنوان شاخص حدی اکسیژن گزارش می شود

بدیهی است که هرچقدر این عدد بیشتر باشد میزان اشتعال پذیری پلیمر کمتر است

  و تست اشتعال پذیری    UL94 Vertical flame test  

در این آزمون نحوه اشتعال پذیری پلیمر ها و رفتار پلیمر در برابر شعله دسته بندی می شود

و بر اساس یک استاندارد ، رفتار اشتعالی پلیمر ها بوسیله این آزمون طبقه بندی می شود.

  علاوه بر  آزمون های گفته شده تستهای دیگری مثل TGA  (Thermogravimetric analysis )  برای بررسی پایداری حرارتی آلیاژ پلیمری و مقایسه آن

با ، پایداری ( شیمیایی )  گرمایی نانوکامپوزیت های گرافن آمیزه پلیمری و نیز بدست آوردن انرژی فعال سازی واکنش تجزیه حرارتی

و پارامتر های سینتیکی واکنش تخریب آمیزه و نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن آن ، مورد استفاده قرار گرفته است.

..

..

...

همانطور که میدانیم برای داشتن یک نانوکاموزیت با کارایی و خواص پیشرفته ، دو فاکتور کلیدی وجود دارد

که نه تنها در مورد نانوکامپوزیت های گرافن بلکه در مورد تمام انواع نانو ذرات دیگر صدق میکند

1- وجود بر هم کنش های قوی  در سطح مشترک  ماتریس پلیمری و نانو صفحات گرافن

2- دیسپرشن ( پراکنش ) صفحات گرافن درون ماتریس پلیمری

در تمام آزمایش هایی که در آنها یک نانو ذره درون یک ماتریس پلیمری دیسپرس می شود

بر رسی میزان بر هم کنش بین فاز ها و میزان دیسپرشن نانو ذرات از اجزای اصلی تحقیق می باشند

در این تحقیق هم این دو عامل توسط آزمون هایی نظیر :

تست کشش ، Tensile test

FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy )  میکروسکوپ الکترونی روبشی 'گسیل میدانی

TEM ( Transmission Electron Microscopy )  میکروسکوپ الکترونی عبوری

XRD (X-Ray Diffraction )  تفرق اشعه ایکس

مورد مشاهده و بر رسی قرار گرفتند

اگر چه در کاری که انجام گرفته از گرافن چند لایه در تولید نانوکامپوزیت استفاده شده

اما با این حال نتایج نشان میدهند که ورقه های کریستال گرافن کاملا در ماتریس آمیزه پلیمری دیسپرس شده اند

و این دیسپرشن بصورت یونیفرم  Uniform  انجام شده است .

با توجه به اینکه برای اختلاط گرافن در آمیزه پلیمری از روش اختلاط مذاب و باستفاده

از اکسترودر دو پیچه استفاده شده است

و قطعات مورد نیاز برای انجام آزمون های شعله و سایر تستها توسط قالب گیری تزریقی  آماده  شده اند

نتایج آزمایش ها حاکی از این است که ورقه های دو بعدی گرافن درون ماتریس پلی کربنات و ABS  بصورت موازی جهت گیری کرده

 و  صفحات دو بعدی گرافن بصورت موازی با سطح قرار گرفته اند .

بنابر این بطور کلی   نانو کامپوزیت های گرافن که از فرایند مذاب و توسط اکستروژن و قالب گیری تزریقی تهیه می شوند

موادی  انیزوتروپیک (Anisotropic) هستند و خواص مکانیکی آنها در جهت طولی و عرضی متفاوت است .

سیستم ارتوتروپیک (Orthotropic) حاصل تنها با افزودن مقادیر اندکی گرافن بیش از دو برابر افزایش در مدول یانگ طولی از خو نشان می دهد.

گرافن مورد استفاده در این تحقیق گرافن عامل دار شده  نیست و برای ایجاد سازگاری بین نانوصفحات گرافن و آمیزه پلیمری اصلاح سطحی شیمیایی

صورت نگرفته است  و نسبت به نانوکامپوزیت های گرافن عامل دار شده ، برهم کنش های سطحی بین دو فاز چندان قوی نیست.

این در حالیست که در کاربرد های صنعتی گرافن اصلاح نشده در تولید نانوکامپوزیت ها بکار نمی رود.

بعلاوه در اینجا از گرافن چند لایه استفاده شده است که بین 8 تا 20 لایه دارد ، ولی گرافن عامل دار شده کاملاً ورقه ورقه (Exfoliated) می شود.

با این وجود تصاویر TEM و SEM  حاکی از دیسپرشن خوب گرافن چند لایه در آمیزه است که این دال بر وجود اینتر اکشن های نسبتاً خوب بین آنهاست.

.

.

.

تصویر فوق  ، تصویری است که از شبیه سازی کامپیوتری برای نانو کامپوزیت های پلیمر نانوکلی بدست آمده و در مقیاس مولکولی درک مناسبی از مورفولوژی و نحوه قرار گیری نانو صفحات گرافن در ماتریس پلیمری و بین زنجیر های ماکرومولکول پلیمر به ما می دهد.

در مورد تأثیر گرافن بر خواص شعله (Fire Properties ) ،خواص حرارتی ، اشتعال پذیری و  مکانیسم تاخیر اندازی

و باز دارندگی شعله ( Flame Retardancy ) توسط گرافن

پژوهش های انجام شده مربوط به پروژه هایی است که در همین اواخر انجام شده و چند سالی بیشتر از آن نمیگذرد.

گرافن  و گرافن عامل دار شده برای کاهش اشتعال پذیری و باز دارندگی (تأخیر) شعله در نانوکامپوزیت های  بسیاری  از سیستم های آلیاژی پلیمری و ماتریس های پلیمری یک جزئی بکار گرفته شده  و مورد مطالعه قرار گرفته اند.

از جمله این سیستم ها می توان به آمیزه هایی همچون : پلی کربنات /  اکریلونیتریل بوتادی ان استایرن

پلی اتیلن ترفتالات و پلی پروپیلن ,و همچنین کامپوزیت های گرافن و گرافن عامل دار شده در پلیمر هایی همچون پلی متیل متاکریلات ، پلی کربنات ، اپوکسی ، پلی آمید

پلی پروپیلن و غیره اشاره کرد.

علاوه بر تأثیر چشم گیر گرافن و گرافن عامل دار شده  در بهبود رفتار حرارتی  ،  اشتعال پذیری و خواص شعله در نانوکامپوزیت های پلیمری با ماتریس یک جزئی

گرافن به دلیل مساحت ویژه سطح بسیار زیاد( گرافن بیشترین مساحت سطح را در بین تمام مواد نانو دارد و این مقدار بیش از 150 متر مربع در هر گرم است )

توانایی منحصر به فردی در ایجاد سازگاری بین اجزای پلیمری در آلیاژ ها و آمیزه های(Polymer Blends) پلیمری نیز دارد .

آنچه ما در این تحقیق بدان پرداختیم اثر گرافن چند لایه  بر خواص اشتعال پذیری ،  شعله و مکانیسم اثر گرافن اصلاح نشده بر نانوکامپوزیت های

PC/ABS/GNP و همچنین PET/PP/GNP  است  که بصورت اجمالی آن را بیان می کنیم.

این مکانیسم برای تمام پلیمر ها و آمیزه ها یکسان است .

مکانیسم اصلی تأخیر اندازی شعله در نانوکامپوزیت های گرافن و گرافن عامل دار

بصورت کلی تشکیل یک لایه ذغال فشرده  و متراکم در حین سوختن  در سطح نانوکامپوزیت است

به صورتی که این لایه ذغال متراکم تشکیل شده در سطح ،  موجب کنترل و بهبود خواص شعله ماتریس پلیمری می شود.

در طول سوختن نانو کامپوزیت های گرافن ، نانوپارتیکل های صفحه ای گرافن موجود در ساختار نانوکامپوزیت

بطور ویژه ای ساختار شبکه ای آن پیشرفت کرده و استحکام ذغال باد کرده و متراکم شده افزایش می یابد

و بنا بر این از متلاشی شدن ساختار ذغال تشکیل شده ، جلو گیری می کند.

...

بسیاری از پلیمرها در حین سوختن مشکل آب شدن و چکه کردن دارند

به قطره قطره آب شدن و چکه کردن پلیمرها Dripping  گفته می شود

این مشکل  در پلی کربنات  ، آمیزه ها و آلیاژ های آن شدیداً وجود دارد به گونه ای که این قطره ها بصورت مشتعل چکه می کنند.

آمیزه های PC  پلی کربنات خاصیت تأخیر اندازی شعله بسیار ضعیفی دارند.

آمیزه های پلی کربنات در تست شعله عمودی UL 94 Vertical flame test  در طبقه بندی  HB  قرار می گیرند و بطور کامل می سوزند

این سوختن و اشتعال شدیداً با چکه های مشتعل همراه است.

دلیل این چکه ها به ساختار بخصوص  پلی کربنات باز می گردد

در دمای شعله ، زنجیر اصلی پلیمر بسیار منعطف می شود ، تا حدی که قادر به چرخش آزاد حول پیوند ها می شود و در نتیجه قبل از تجزیه شدن

چکه می کند و می ریزد، یعنی ساختار ماده کامل تجزیه می شود.

گرافن در نانوکامپوزیت های پلی کربنات نقش Anti-dripping  ممانعت از چکه کردن پلیمر در حین سوختن را دارد

و شدیداً موجب کاهش در چکه کردن آمیزه ی در حال سوختن می شوند.

به طوری که درجه بندی آن در آزمون شعله ، به V-2  ارتقاء می یابد

و این در حالیست که حتی از گرافن عامل دار شده که به مراتب نتیجه بهتری دارد هم استفاده نشده است

کاهش Dripping چکه ناشی از نانوصفحات گرافن به این دلیل است که صفحات گرافن درون ماتریس و در فاز پیوسته پلی کربنات

به آن چسبیده اند  و موجب می شوند که چکه کردن قطرات  در حین اشتعال پلیمر کمتر شوند.

بر هم کنش ها ی (  Interactions )  بین نانوذرات گرافن و آمیزه پلی کربنات PC/ABS & GNPs  موجب افزایش ویسکوزیته مذاب

آمیزه پلی کربنات می شود که به نوبه خود موجب محدود شدن میزان Dripping  و کاهش چکه کردن قطرات می شود

و در نتیجه موجب محدود تر شدن انتشار شعله به واسطه باز دارندگی چکه قطره و کاهش در نرخ انتشار گازهای قابل اشتعال می شوند.

.

.

همانطور که گفتیم مکانیسم اصلی کنترل و تأخیر شعله توسط گرافن به ایجاد یک لایه ذغال فشرده در سطح قطعه در حال سوختن مربوط می شود.

باقی مانده های نانوصفحات گرافن ، مانند یک سد و مانع در برابر انتقال گرما عمل می کنند و این چنین موجب کاهش نرخ گرمایش نانوکامپوزیت

در لایه های زیرین می شوند .

لایه های حفاظ حرارتی گرافن ، نقش مانع انتقال جرم را نیز بازی می کنند .

پلیمر در برابر گرمای شعله شروع به تجزیه و تخریب می کند

محصولات تخریب و تجزیه در پلی کربنات و بسیاری از پلیمر های دیگر ، کوچک مولکول هایی هستند که بصورت مایع یا گاز از لایه های زیرین به سطح آمده

، محصولات سنگین تر چکه می کنند ( به صورت مشتعل و یا مذاب غیر مشتعل )

محصولات کوچک مولکول فرّار که بصورت مایع و گاز به سطح مشتعل می رسند

سوخت لازم برای بقای شعله و استمرار آن را تأمین می کنند

این مکانیسم اشتعال می تواند شامل تبخیر مایع و تبدیل آن به گاز در اثر گرمای شعله و سپس اشتعال و تأمین سوخت شعله باشد.

لایه ها و صفحات گرافن مانند یک مانع فیزیکی و حصار در برابر خروج محصولات کوچک مولکول واکنش تجزیه حرارتی ، به بیرون سطح عمل می کنند.

در اصل این لایه ذغال گرافنی یک مانع در برابر انتقال جرم و خروج کوچک مولکول ها محسوب می شود.

بنا بر این لایه های گرافن هم از نفوذ شار یا فلاکس حرارتی شعله به درون توده پلیمر جلو گیری می کنند و هم از خروج کوچک مولکولها و فراورده های واکنش تجزیه

به بیرون از سطح جلو گیری می کنند

 ( صفحات گرافن هم مانع انتقال حرارت هستند و هم مانع انتقال جرم )

این صفحات گرافن در حین اشتعال یا در برابر گرما با جلو گیری از خروج مواد از درون جسم پلیمری به بیرون آن از تشدید آتش توسط گاز های اشتعال پذیر جلو گیری می کنند و به این صورت پلیمر یا آمیزه پلیمری از خود خواص شعله پیشرفته تری نشان می دهد

و با این روش ، یعنی استفاده از گرافن در ساخت نانوکامپوزیت های جدید می توان علاوه بر بهبود تمام خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر پایه

خواص شعله و اشتعال پذیری پلیمر را نیز اصلاح کرد.

کاهش در میزان چکه مایعات و محصولات تجزیه حرارتی پلیمر ، هم به دلیل وجود بر هم کنش های گرافن با پلیمر رخ می دهد که به دلیل افزاش ویسکوزیه است

هم به دلیل ممانعت صفحات گرافن از انتقال جرم و نفوذکوچک مولکول های مایع  به بیرون توده پلیمر.

کاهش در چکه کردن ، موجب عدم خروج مواد مایع و مواد کوچک مولکول فرّار حاصل از سوختن می شود که نتیجه آن افزایش

جرم باقی مانده از سوختن نانو کامپوزیت است.

هر چقدر جرم بیشتری از پلیمر ، پس از سوختن باقی بماند ، نشان می دهد که میزان خروج کوچک مولکول ها از پلیمر کمتر بوده

بنا بر این کامپوزیت پلیمری کمتر مشتعل شده و نسبت به شعله مقاوم تر بوده است.

هر چقدر جرم کمتری از پلیمر خارج شود ، سوخت مورد نیاز برای بقای شعله کمتر تأمین می شود

و نانوکامپوزیت با شعله کوچکتر و کم حرارت تری می سوزد و جرم بیشتری از آن باقی می ماند که این خود نشان دهنده  ایمنی بالا تر نانوکامپوزیت

در حین آتش سوزی می باشد.

میزان جرم باقی مانده در آنالیز گرما وزن سنجی  TGA   و در آزمایش کالری متر مخروطی ، نشان دهنده میزان پایداری حرارتی نانوکامپوزیت است.

.

.

.

در مورد آمیزه های پلی اتیلن ترفتالات نیز دقیقاً همین مکانیسم مشاهده می شود.

بهبود خواص شعله و اشتعال پذیری نانوکامپوزیت های گرافن دار  پلی اتیلن ترفتالات / پلی پروپیلن   PET/PP   را می توان به تشکیل لایه Char  ذغال بسیار فشرده ،متراکم ، پر چگال و یونیفرم در سطح نانو کامپوزیت نسبت داد.

این لایه ذغال گرافنی در سطح جسم ، بطور موثر ی از خروج محصولات کوچک مولکول حاصل از تجزیه پلیمر به ناحیه شعله جلوگیری کرده

و موجب نرسیدن سوخت به شعله شده و به این ترتیب موجب افزایش و بهبود خواص شعله

در  آمیزه ها و آلیاژ های پلی پروپیلن و پلی اتیلن ترفتالات می شود.

در شکل زیر می توانیم تأثیر افزودن گرافن بر ماتریس اتیلن وینیل استات EVA  را در آزمایش کالری متر مخروط مشاهده کنیم

درصد گرافن افزوده شده در زیر هر نمونه آورده شده

همانطور که از عکس پیداست افزودن مقادیر بسیار کمی از گرافن به به ماتریس پلیمر ، پایداری حرارتی آن را به طرز چشم گیری افزایش می دهد.

.

.

رفتار شعله نانوکامپوزیت های گرافنی پلی متیل متاکریلات  :

نتایج مشابهی برای  PMMA  پلی متیل متاکریلات وجود دارد که در آن افزایش تاخیر در شعله

به افزایش مقدار ذغال باقی مانده نسبت داده می شود که دلیل آن کاهش چشم گیر در مقدار دود تولید شده در حین سوختن است.

بنا بر این کاربرد گرافن در پلیمر هایی که در حین سوختن دود زیادی تولید می کنند

مثل  PMMA پلی متیل متاکریلات و ABS  اکریلو نیتریل بوتا دی ان استایرن 

 PET پلی اتیلن ترفتالات ، PS  پلی استایرن , ...

به شدت موجب کاهش دود ناشی از سوختن نانوکامپوزیت می شود

که حاکی از بهبود خواص شعله در  آنها توسط گرافن می باشد

.

.

.

خواص حرارتی و اشتعال پذیری نانوکامپوزیت های PC/ABS  تقویت شده با گرافن چند لایه

دانلود در فرمت  PDF

دانلود در فرمت پاورپوینت (pptx)  POWERPOINT 

.

.

.

---

جهت مشاوره در زمینه :

سرمایه گذاری در صنعت  پلیمر و نانو تکنولوژی

ساخت انواع کامپوزیت  و  نانو کامپوزیت های پیشرفته  پلیمری

تولید نانو کامپوزیت های گرافن-پلیمر

نانوکامپوزیت های پایه خاک رس و نانو کلی

فرمولاسیون و کامپاندینگ مواد در فرایند های تولید صنعتی

انتخاب مواد در طراحی قطعات پلیمری

فرمولاسیون افزودنی های پلاستیک های صنعتی و مهندسی

کاهش قیمت تولید محصولات پلیمری

استاندارد سازی

تجهیز آزمایشگاه ها

خرید مواد اولیه و انتخاب گرید

خرید ماشین آلات خط تولید و فرایند های شکل دهی پلیمر ها

بهینه سازی و گسترش خطوط تولید

و...   

با ما در گروه مشاورین polymer30  در ارتباط باشید

کانال تلگرام تخصصی مهندسی پلیمر و پتروشیمی

گروه مشاورین پلیمرسی

کانال تلگرام polymer30

https://telegram.me/polymer30

...

email :   [e-mail]

شماره تماس :

0912-140-4797

0935-140-4797

---

BY: MOHAMADREZA HAGHANI :  M.Sc. Eng.

Master of  Polymer Industrial Engineering

http://telegram.me/polymer30 

---

---

copyright © 2016-2021 : polymer30

all rights reserved

---

---