سازوکار اشتعال پلیمرها

سازوکار اشتعال پلیمرها

پیدایش پلیمرها مزایای فراوانی را در زندگی فراهم آورده است. در مقابل این مزایا، امکان آتش­گیری پلیمرها عیب بزرگی است. این تمایل در اشکال مختلف پلاستیک‌ها همچون ورق، فیلم، پوشش، فوم و الیاف نسبت به قطعات قالب‌گیری بیشتر است. لذا آشنایی با سازوکار سوختن پلیمرها و روش‌های مقابله با آن از ضروریات ایمن‌سازی ساختمان‌ها، لوازم خانگی و وسایل نقلیه است.

سوختن یک واکنش شیمیایی سریع و گرمازا است. در شرایط اتمسفری برخی مواد همچون مواد معدنی در مقابل گرمای فراوان و یا مواجهه با آتش مقاومت بالایی بروز می‌دهند. آستانه مقاومت حرارتی و شیمیایی آن‌ها به‌اندازه‌ای بالاست که به آن‌ها نام مواد نسوز اطلاق می‌شود. اما مواد آلی (موادی که به‌طور عمده از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند همچون پلیمرها) در قیاس با مواد معدنی، در برابر گرما آستانه فروپاشی به‌مراتب پایین‌تری دارند. در صورت ایجاد شرایط مناسب یعنی حضور مواد آلی، اکسیژن و منبع گرما  دچار واکنش شیمیایی گشته، می‌سوزند.

سازوکار سوختن مواد

وجود سه عامل زیر برای وقوع هر واکنش سوختن ضروری است:

1. سوخت: عموما یک سوخت به‌طور خود به خود آتش نمی‌گیرد و به حرارت کافی برای تامین انرژی فعالسازی واکنش سوختن نیازمند است.
2. اکساینده: مطرح­ترین اکساینده­ در سوختن پلیمرها و دیگر سوخت­های آلی اکسیژن است. طبق تعریفی قدیمی، به واکنش ترکیب اکسیژن با مولکولی دیگر، اکسایش گفته می­شود. این واکنش در ترکیبات آلی گرمازا است.
3. منبع احتراق: منبع احتراق در ابتدا منجر به گرم شدن سوخت شده و انرژی فعال‌سازی برای شروع واکنش سوختن را تأمین می‌کند. در صورت وجود سوخت جامد، ابتدا گرما منجر به ایجاد مواد فرّار می‌گردد. این مواد فرّار طی یک واکنش زنجیری با اکسیژن وارد واکنش اکسیداسیون شده و شعله ایجاد می‌شود. گرمای آزادشده در هر واکنش اکسیداسیون منبع انرژی فعال‌سازی واکنش بعدی است.

واکنش سوختن، واکنش سریع و زنجیروار اکسیداسیون یک سوخت است که با آزاد شدن مقدار زیادی گرما همراه است. با قرار گرفتن واکنش زنجیری در کنار سه عامل ذکرشده هرم آتش تشکیل می­گردد.

طبق واکنش­های بالا، واکنش اکسیداسیون از چندین واکنش واسط می‌گذرد. هیدروژن Hž ، اکسیژن Ož و هیدروکسیل OHž رادیکال­هایی هستند که زنجیره واکنش را به وجود آورده و درنهایت محصولات نهایی همچون آب، کربن دی‌اکسید و گرمای زیاد تولید میکنند. عمده گرمای آزادشده از واکنش سوختن ناشی از  تغییر شیمیایی مولکول اکسیژن و ایجاد پیوندهای قوی‌تر اکسیژن با هیدروژن(تولید آب) و کربن(تولید دی‌اکسید کربن) است. گرمای آزاد شده منجر به برانگیختگی الکترون گازها شده که متعاقباً ساطع شدن نور از محدوده واکنش را باعث می‌شود. این ساطع شدن نور پدیده ایست که نام شعله بر آن اطلاق می‌گردد.

 سازوکار سوختن پلیمرها

سوختن پلیمرها پدیده­ای پیچیده است و به عوامل متعددی همچون ساختار شیمیایی پلیمر، محیط پیرامونی آن، شدت آتش وارده، شکل و اندازه قطعه ساخته‌شده از آن وابسته است. به طور کلی، واکنش سوختن هر ماده­ای در فاز گازی اتفاق می­افتد. این مسئله برای پلیمرهای نیز صادق است. لذا فرآیند سوختن پلیمر جامد شامل مراحل دیگری به‌جز واکنش‌های اکسیداسیون ذکرشده در قسمت قبل نیز می‌گردد. شروع فرآیند سوختن و گسترش شعله در پلیمرها، آهسته و بدون واکنش انفجاری است. آهسته بودن این فرآیند این فرصت را فراهم می‌آورد تا بتوان از طرق مقتضی از شروع و یا ادامه واکنش سوختن جلوگیری کرد. سوختن پلیمر با آزاد شدن گرما، نور و دود و در برخی اوقات ایجاد لایه کربنی زغال همراه است. این فرآیند را می‌توان به مراحل زیر تقسیم کرد(شکل 2).

1. منبع احتراق خارجی توده پلیمر را گرم کرده و منجر به افزایش دمای آن می‌گردد.
2. درصورتی‌که منبع احتراق از شدت کافی برخوردار باشد پلیمر گرم شده از طریق تشکیل رادیکال‌های آزاد شروع به تخریب می‌کند. تخریب پلیمر به دو صورت پیرولیز و تخریب اکسیداسیونی اتفاق می­افتد.
3. پلیمرِ تخریب‌شده به دسته‌ای وسیع از کوچک مولکول­های فرّار و غیرفرّار با وزن و فرمول شیمیایی متفاوت تبدیل می‌شود. بیشتر محصولات ناشی از این مرحله گازها و مایعات قابل‌احتراق، زغال و اندکی دود هستند.
4. مواد فرّار ایجادشده از پیرولیز و تخریب اکسیداسیونی پلیمر در مراحل قبل در حضور مقدار کافی اکسیژن و گرما می‌سوزد. قابل ذکر است که مواد قابل‌احتراق مایعات و گازها هستند و نه توده پلیمر. به‌عنوان نمونه می‌توان به فرآیند سوختن متان که از تخریب پلیمر تولید می‌شود اشاره کرد. البته الزاما مواد فرّار ایجاد شده از تخریب پلیمرها الزاما آتش­گیر نیستند و به ساختار پلیمر وابسته است.
5. بخشی از گرمای ناشی از سوختن مواد فرّار به سطح ماده منتقل می‌شود. در صورت کافی بودن گرمای تولید شده، توده پلیمر گرم شده و مراحل ذکرشده مجدداً تکرار می‌شود با این تفاوت که منبع احتراق اولیه می‌تواند حذف شود.
   

   خواص تاثیرگذار بر اشتعال پلیمر

   به‌طورکلی آتش‌گیری پلیمر به‌وسیله منبع گرمای خارجی آغاز می‌شود. با افزایش دمای پلیمر و رسیدن به دمای تخریب (T_d) مواد قابل‌احتراق از فاز جامد به فاز گازی جریان می­یابند. احتراق گازها در صورت رسیدن دمایشان به نقطه اشتعال [1] (Flash Point) اتفاق افتاده، گرما و نور ایجاد می‌کند. بخشی از این گرما به سطح پلیمر بازمی‌گردد. درصورتی‌که گرمای تولید شده بتواند دمای پلیمر را در محدوده دمای خود اشتعالی [2] نگه دارد پلیمر بدون نیاز به منبع خارجی گرما خواهد سوخت. در جدول زیر دمای تخریب، دمای اشتعال و دمای خود اشتعالی برخی پلیمرها آورده شده است. دمای اشتعال پلیمرها در مقایسه با سوخت­های متداول مانند بنزین  ̊C  43- یا اتانول ̊C  6/16 بسیار بالاتر است. این تفاوت ناشی از تفاوت ساختار ماکرومولکول­ها و کوچک موکلول­ها است. به این معنا که ماکرومولکول ابتدا می‌بایست به دمای تخریب رسیده، سپس تبخیر و مشتعل شود. علاوه بر موارد ذکرشده دمای انتقال شیشه­ای، دمای ذوب، ظرفیت گرمایی و رسانایی گرمایی نیز بر فرآیند سوختن اثرگذار است.

   دمای اشتعال (Flash Point) : حداقل دمایی که بخارات یا گازهای یک ماده در حضور منبع احتراق خارجی همچون شعله یا جرقه مشتعل می‌شود. در صورت حذف منبع احتراق خارجی، اشتعال صورت نمی‌گیرد.

   دمای خود اشتعالی (Auto Ignition) : حداقل دمایی است که در آن یک گاز بدون نیاز به منبع خارجی آتش مشتعل می‌شود.

   ممکن است لایه کربنی زغال بر سطح پلیمر تشکیل شود. تشکیل لایه زغال به ساختار شیمیایی پلیمر وابسته است. در پلی‌الفین‌ها، اجزاء حاصل از تخریب پلیمر عموما به صورت بخارات فرّار است و زغال به‌ندرت تشکیل می­گردد؛ لذا شاهد اشتعال پایدار آن‌ها هستیم. حضور گروه‌های آروماتیک در زنجیر اصلیِ پلیمرهایی همچون پلی کربنات بر پایه بیس فنول-A، فنول فرمالدهید، پلی ایمید یا PET منجر به ایجاد تشکیل زغال شده و تا حد مناسبی خاصیت خودخاموش شوندگی به همراه می‌آورد. مشاهده شده که رابطه مستقیمی بین «شاخص اکسیژن حدی»[3] با تشکیل زغال وجود دارد. خواص ذکر شده بدون در نظر گرفتن کاربرد و فرم فیزیکی قطعه پلیمری و تماس آن به وسایل دیگر است. این عوامل نیز در اشتعال پذیری پلیمرها اثر به سزایی دارند.

   [1] دمای اشتعال (Flash Point) : حداقل دمایی که بخارات یا گازهای یک ماده در حضور منبع احتراق خارجی همچون شعله یا جرقه مشتعل می‌شود. در صورت حذف منبع احتراق خارجی، اشتعال صورت نمی‌گیرد.

   [2] دمای خود اشتعالی (Auto Ignition) : حداقل دمایی است که در آن یک گاز بدون نیاز به منبع خارجی آتش مشتعل می‌شود.

   [3] شاخص اکسیژن حدی (Limiting Oxygen Index): حداقل مقدار اکسیژنی که باید در محیط پیرامون پلیمر وجود داشته باشد تا به صورت پایدار بسوزد.