در این بخش یک نگاه کلی به روش‌های افزودن و بهینه کردن خواص تأخیر اشتعال در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف خواهیم داشت. روش های مورد استفاده فوق العاده متنوع و متفاوت می باشند. افزودنی های ساده آلیاژ شونده با ماتریس پلیمری یا پوشش های مقاوم در حرارت[5]، روش‌های شیمیایی اصلاح ماتریس کامپوزیت‌هایی که سطح آنها با گرما به instumescence تبدیل می‌شود. همچنین روش هایی برای بهبود پایداری حرارتی و مقاومت در برابر آتش الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت نیز مشخص شده است. روش معمول برای کاهش اشتعال پذیری کامپوزیت، افزودن پرکننده داخلی (مثل تالک، سیلیکا) یا پرکننده فعال حرارتی (مثل اکسیدهای هیدراته[6]) به ماتریس پلیمری است. انواع پرکننده ها مکانیسم تأخیر اشتعال آنها و راندمان آنها زمانی که در مواد کامپوزیتی استفاده می شود شرح داده می شود بعد از آن به اصلاح ساختار شیمیایی پلیمیرهای آلی جهت بهبود مقاومت اشتعال پذیری با تکیه بر مکانیسم های تأخیر اشتعال و خواص برهمکنش شعله در پلیمرهای فسفره، کلره و برمه توضیح داده خواهد شد. برخی روش های گفته شده جهت تأخیر اشتعال صدها سال جهت کاهش اشتعال در پارچه لباس و چوب و اخیراً در پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری کاربرد دارد. دیگر روش‌ها در 10 الی 50 سال گذشته ارائه شده است. چندین روش جدید نیز برای کاهش اشتعال‌پذیری در حال تکمیل و بهبود است و چشم انداز بزرگی جهت تأخیر اشتعال کامپوزیت ها را پیشنهاد می کنند. دیگر روش های موجود عبارتند از پلیمریزاسیون پیوندی اجزای تأخیردهنده اشتعال به پلیمر آلی و پلیمرهای با ساختار غیر معدنی غیر قابل اشتعال نیز از این روش‌ها است. چرخه اساسی اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری به صورت شماتیک در شکل ‏2‑1 نشان داده شده است.

شکل ‏2‑1: چرخه اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری در آتش.علامت ضربدر مشخص کننده مراحلی از چرخه است که تاخیر دهنده اشتعال چرخه را بر هم میزند[1]

دمای حاصل از تجزیه وابسته به طبیعت شیمیایی پلیمر و اتمسفر آتش است اما به صورت عمده این دما در محدوده 500-300 درجه سانتی گراد برای بیشتر پلیمرها و الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت ها می باشد. همانطور که گفته شده گازهای حاصل از تجزیه از درون کامپوزیت به شعله جریان می یابد. در اینجا مواد ناپایدار قابل اشتعال با اکسیژن واکنش می دهد و به مقدار زیاد رادیکال فعال OH و H را تولید می کند. این رادیکال ها نقش مهمی در واکنش های زنجیره ای منجر به تجزیه و سوختن زنجیره ای پلیمرها و دیگر سوخت های آلی بازی می کند. واکنش های پیرولیز در شعله به صورت ساده به وسیله نهاد O2-H2 توصیف می شود:

واکنش گرمازای اصلی که بیشترین انرژی گرمایی در شعله را تولید می کند عبارتست از: 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

رادیکال های H تولید شده در واکنش(‏2‑2) و (‏2‑3) به واکنش(‏2‑1) برگردانده می شود[7] بنابراین واکنش اشتعال باعث یک فرآیند خود انتشار متوالی یا واکنش زنجیره ای شده که تا زمانی که اکسیژن مورد نیاز لازم موجود باشد ادامه خواهد یافت. گرمای تولید شده دمای ناحیه اشتعال را بالا می برد و این عامل باعث افزایش شتاب نرخ تجزیه کامپوزیت خواهد شد. بسیاری از پلیمرها مثل پلی استرها، ونیل استرها و اپوکس ها با مقدار زیادی گازهای قابل اشتعال را آن می کنند که خود عاملی افزایش مقدار سوخت شعله خواهد شد[8]. در این مواد تا زمان تخریب کامل ماتریس پلیمر اشتعال ادامه می یابد. اشتعال پذیری مواد کامپوزیتی به وسیله توقف یا کاهش واکنش های شاخه ای شدن زنجیردر مراحل(‏2‑1) و (‏2‑2) در چرخه احتراق کاهش می یابد. تأخیر دهنده های اشتعال پلیمرها به سه روش چرخه احتراق را قطع می کنند:

1- اصلاح فرآیند تخریب حرارتی برای کاهش میزان و یا انواع گازهای قابل اشتعال

2- تولید گازهای تجزیه که شعله و آتش را سریعاً سرد می کند[9] . این عمل به وسیله حذف رادیکال های H و OH انجام می گیرد.

3- کاهش دمای مواد به وسیله اصلاح خصوصیات هدایت حرارتی و یا گرمای ویژه (این روش می تواند به تنهایی یا با دیگر روش ها به کار برده شود.)

به صورت کلی اغلب پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال به دو دسته فاز متراکم شونده و فاز گازی فعال تقسیم می شوند. این تقسیم بندی بستگی به این دارد که آیا در آنها مکانیسم تجزیه پلیمر مختل می شود یا احتراق در شعله. زمانی پلیمر در دسته فاز متراکم قرار می گیرد که در حالت جامد یا مذاب باشند. دسته فاز متراکم خود شامل چندین مکانیسم برای تأخیر اشتعال است که عبارتند از:

1- رقیق کردن مقدار ماده آلی قابل اشتعال به وسیله افزودن ذرات پرکننده داخلی.

3- کاهش دما به وسیله افزودن پر کننده هایی که به صورت گرماگیر تجزیه شده و محصولاتی مانند آب یا دیگر محصولات غیر قابل اشتعال با ظرفیت حرارتی ویژه بالا تولید می کنند.

4- کاهش میزان نرخ رهایش حرارت به وسیله بکارگیری پلیمرهایی که توسط واکنش‌های گرماگیر تجزیه می‌شوند.

5- افزایش آروماتیسیته[11] ماتریس پلیمری به منظور اینکه به یک سطح و لایه عایق فضای کربنی[12] تجزیه شود که هدایت حرارتی درون کامپوزیت را کاهش می دهد و انتشار گازهای قابل اشتعال را کاهش دهد.

کامپوزیت های پلیمری که جزء تأخیر دهنده های اشتعال از نوع فاز گاز[13] می باشند، به وسیله ممانعت از واکنش اشتعال عمل می‌کنند. در نتیجه هم کاهش انتشار شعله و هم بازگشت مقدار حرارت از سوی شعله به ماده را در این نوع مشاهده می‌شود. مکانیسم‌های موجود در نوع فاز گاز که به صورت گسترده جهت تأخیر اشتعال به کار گرفته شده است معمولاً رهایش رادیکال های بر پایه برومین، کلرین و فسفره را خواهند داشت که باعث اختتام واکنش های اشتعال گرمازا از طریق حذف رادیکال های H و OH از شعله خواهند شد. یکی دیگر از مکانیزم های معمول این دسته رهایش بخارات غیر قابل اشتعال برای رقیق کردن غلظت گازهای H و OH در شعله است. همچنین باعث کاهش دما نیز خواهد شد. در حالی که بسیاری از تأخیر دهنده های اشتعال تنها با یکی از مکانیسم های فاز متراکم و یا فاز گاز عمل می کنند، تأخیر دهنده هایی بیشترین تأثیر را دارند که از هر دو مکانیسم فازها در یک زمان واحد استفاده می کنند.

2-1-2تأخیر دهنده‌های اشتعال برای کامپوزیت‌ها

مواد تأخیر دهنده اشتعال متنوعی برای پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری ارائه شده است. در حدود 200-150 آمیزه و ماده مختلف برای استفاده وجود دارد. [2-7]