پس از معرفی مکانیسم‌های عملکرد افزودنی‌های Flame Retardant و اهمیت استفاده از آن‌ها در کاربردهای حساس و در معرض حرارت و شعله در قسمت قبلی (دنیای پلاستیک‌های مقاوم در برابر شعله)، در این بخش به معرفی ماهیت شیمیایی این افزودنی‌ها خواهیم پرداخت.
افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله (Flame Retardants) از اجزای حیاتی در فرمولاسیون مواد پلیمری به شمار می‌آیند که نقش اصلی آن‌ها، به تأخیر انداختن یا مهار فرآیند اشتعال در شرایط پرریسک حرارتی است. این ترکیبات با مکانیزم‌های فیزیکی و شیمیایی گوناگون، به صورت مجزا یا ترکیبی، در بدنه مواد پلیمری وارد می‌شوند و کاربرد گسترده‌ای در صنایع برق و الکترونیک، ساختمان‌سازی، خودروسازی، حمل‌ونقل ریلی و فضایی دارند. در ادامه به بررسی دقیق‌تر ماهیت شیمیایی و ساختاری انواع افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله پرداخته خواهد شد تا درک جامعی از خواص، مزایا و محدودیت‌های هر گروه حاصل شود.
انواع افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله
۱. افزودنی‌های پایه هالوژن (هالوجنه)
این دسته شامل ترکیباتی بر پایه کلر و برم است که با تشکیل رادیکال‌های پایدار در فاز گازی، واکنش‌های زنجیره‌ای احتراق را مهار می‌کنند. ترکیباتی نظیر پارافین‌های کلره، آلکیل فسفات‌های هالوژنه و پلی‌برو‌م‌دی‌فنیل‌اترها در این گروه قرار می‌گیرند. مزیت اصلی این افزودنی‌ها، کارایی بالا در کاهش گسترش شعله با دوز پایین و عدم تداخل با خواص مکانیکی مواد پلیمری است. با این حال، نقطه ضعف مهم آن‌ها، تولید گازهای سمی و خورنده مانند HCl یا HBr در هنگام احتراق است که کاربرد آن‌ها را در فضاهای بسته یا تجهیزات حساس محدود می‌سازد.
۲. افزودنی‌های پایه فسفری
ترکیبات فسفردار از جمله محبوب‌ترین افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله در ترموپلاستیک‌های مهندسی هستند. این ترکیبات در فاز جامد یا مایع عمل کرده و با تسریع فرآیند کربن‌سازی در سطح پلیمر، لایه‌ای عایق و غیرفعال ایجاد می‌کنند. نمونه‌های شاخص این گروه شامل فسفات‌های آلی، فسفین‌اکسیدها و فسفور قرمز (Red Phosphorus) است. فسفور قرمز به دلیل پایداری حرارتی بالا، برای کاربردهایی با دمای فرآیند بیش از 300°C مانند پلی‌آمیدها مناسب است. افزودنی‌های فسفردار، برخلاف نمونه‌های هالوژنه، گاز سمی کمتری تولید کرده و از سازگاری زیست‌محیطی بالاتری برخوردارند.
۳. ملامین‌ها
ملامین و مشتقات آن نظیر ملامین سیانورات یا ملامین بورات به عنوان افزودنی‌های نسل جدید، به دلیل سمیت پایین، پایداری حرارتی مطلوب و قیمت مناسب مورد توجه گسترده قرار گرفته‌اند. این افزودنی‌ها در دمای بالا تجزیه شده و با آزادسازی گازهایی مانند آمونیاک، اکسیژن را رقیق کرده و از گسترش شعله جلوگیری می‌کنند. ملامین‌ها در ترکیب با فسفات‌ها، عملکرد ضد شعله هم‌افزا از خود نشان می‌دهند. همچنین به دلیل سازگاری خوب با پلی‌پروپیلن، پلی‌آمید، و پلی‌استر، در طیف وسیعی از محصولات قابل استفاده‌اند.
۴. هیدروکسیدهای فلزی
شامل ترکیباتی مانند آلومینیوم تری‌هیدروکسید (ATH) و منیزیم دی‌هیدروکسید (MDH) هستند که از طریق جذب گرما و آزادسازی آب، شعله را مهار می‌کنند. این افزودنی‌ها در دمای بالا تجزیه شده و گرمای محیط را کاهش می‌دهند و همزمان گازهای غیرقابل اشتعال تولید می‌کنند که موجب رقیق شدن اکسیژن محیط و خاموش شدن شعله می‌شود. اگرچه این افزودنی‌ها برای ایجاد عملکرد مطلوب به درصد وزنی بالایی در ترکیب نیاز دارند، اما مزیت آن‌ها غیرسمی بودن، عدم تولید گازهای مضر، و مقاومت بالا در برابر تخریب حرارتی و UV است. از این رو در صنایع کابل‌سازی، کف‌پوش‌ها، تجهیزات الکتریکی و قطعات اتومبیل کاربرد دارند.
۵. افزودنی‌های پایه سیلیکون
افزودنی‌های سیلیکونی، به ویژه مشتقات سیلوکسان و سیلیکات، برای مقاوم‌سازی پوشش‌ها و پلاستیک‌های خاص طراحی شده‌اند. این ترکیبات با تشکیل یک لایه سیلیکایی مقاوم در سطح پلیمر پس از تماس با شعله، مانع نفوذ اکسیژن و گسترش حریق می‌شوند. پلاستیک‌هایی مانند پلی‌کربنات (PC)، پلی‌استایرن (PS) و آکریلونیتریل-بوتادین-استایرن (ABS) به‌خوبی با این افزودنی‌ها هم‌ساز می‌شوند. افزودنی‌های سیلیکونی همچنین خواص نوری و مکانیکی را حفظ کرده و مقاومت بالایی در برابر اشعه UV و اکسیداسیون ایجاد می‌کنند.
۶. افزودنی‌های پایه فسفیت
افزودنی‌های فسفیتی، گروهی پیشرفته از مشتقات فسفر هستند که علاوه بر خاصیت ضد شعله، ویژگی آنتی‌اکسیدانی و پایداری حرارتی بالا را نیز ارائه می‌دهند. این ترکیبات در کنار افزودنی‌های دیگر، عملکرد هم‌افزا داشته و از تخریب حرارتی زودهنگام مواد جلوگیری می‌کنند. استفاده از این دسته در کاربردهایی نظیر ساخت قطعات خودرو، مواد بسته‌بندی پیشرفته و صنایع الکترونیک در حال افزایش است.
خواص و عملکرد افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله
- افزودنی‌های پایه هالوژن
این گروه به دلیل عدم تاثیر منفی بر خواص مکانیکی قطعات و عملکرد عالی در مهار شعله، بسیار پرکاربرد هستند. اما به دلیل تولید گازهای سمی در حین اشتعال، محدودیت‌هایی در برخی کاربردها دارند. از جمله ترکیبات این گروه می‌توان به پارافین‌های کلره و آلکیل فسفات هالوژن‌ها اشاره کرد. - افزودنی‌های پایه فسفور
این گروه در ترموپلاستیک‌های مهندسی نتایج بسیار خوبی در افزایش مقاومت به شعله نشان می‌دهند و خواص ماده پایه را نیز حفظ می‌کنند. همچنین، آلوتروپ خاص فسفور (فسفور قرمز) برای پلاستیک‌هایی با دمای فرآیندی بالا مانند 300°C کاربرد دارد.
ملامین‌ها و هیدروکسیدهای فلزی: نسل‌های جدیدتر
- ملامین‌ها
این گروه با قیمت مناسب و سمیت پایین، به سرعت محبوبیت یافته‌اند. ملامین خالص یا مشتقات آن مانند اسید بوریک در انواع ترموپلاستیک‌ها و رزین‌ها استفاده می‌شوند. - هیدروکسیدهای فلزی
به دلیل محدودیت‌های افزودنی‌های هالوژنه، این گروه جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از جمله معروف‌ترین انواع آن، آلومینیوم تری‌هیدروکساید و منیزیم دی‌هیدروکساید است که در پلی‌الفین‌ها و PVC کاربرد دارند.
افزودنی‌های پایه سیلیکون
این گروه به خصوص در مقاوم‌سازی پوشش‌ها کاربرد دارند و در پلاستیک‌هایی مانند PS، PC و ABS بهترین عملکرد را نشان می‌دهند.
معیارهای انتخاب افزودنی مقاوم در برابر شعله
برای انتخاب مناسب‌ترین افزودنی Flame Retardant، باید عوامل مختلفی را در نظر گرفت، از جمله:
- نوع پلیمر پایه: سازگاری شیمیایی و حرارتی افزودنی با رزین پایه بسیار مهم است.
- دمای فرآیند: افزودنی باید در دمای تولید و پردازش تجزیه نشود یا خواص خود را از دست ندهد.
- خواص مکانیکی نهایی: افزودنی نباید استحکام، انعطاف‌پذیری یا خواص نوری قطعه نهایی را تضعیف کند.
- ملاحظات زیست‌محیطی و ایمنی: اجتناب از ترکیبات سمی، خورنده یا مضر برای انسان و محیط زیست.
- قابلیت پراکندگی و فرآیندپذیری: توزیع یکنواخت در ماتریس پلیمری و عدم ایجاد ته‌نشینی یا مشکلات فرآیندی.
- هزینه و مقرون‌به‌صرفه بودن: نسبت کارایی به هزینه در مقایسه با سایر گزینه‌ها.
معیارهای انتخاب افزودنی مقاوم در برابر شعله
در بخش پایانی، معیارهای انتخاب بهترین افزودنی مقاوم در برابر شعله (Flame Retardant) برای کاربردهای مختلف بررسی خواهد شد.
جمع‌بندی
شناخت دقیق ترکیب شیمیایی، ساختار عملکردی و ویژگی‌های هر گروه از افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله، شرط لازم برای طراحی ایمن و مؤثر مواد پلیمری در کاربردهای حساس است. با توجه به الزامات زیست‌محیطی، پیشرفت‌های فناورانه، و مقررات سخت‌گیرانه ایمنی، استفاده از ترکیبات غیرسمی مانند هیدروکسیدهای فلزی، فسفات‌ها و ملامین‌ها در حال گسترش است. انتخاب هوشمندانه افزودنی، نقش کلیدی در افزایش طول عمر، ایمنی، و پایداری عملکردی محصولات نهایی ایفا می‌کند.
