بررسی مورفولوژی سطحی پارچه‌های تکمیل شده مقاوم در برابر حرارت

علی صفوی، پیمان آقاسیلو

دکترای مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی

امیرکبیر تهران و

مجتمع تحقیق و توسعه شهید میثمی

چکیده

در ادامه سری مقالات منسوجات و پوشش‌های مقاوم در برابر حرارت، در این مقاله جهت افزایش مقاومت حرارتی، نمونه‌های پارچه پنبه/پلی استری به وسیله ترکیب ضد آتش متورم شونده حاوی نانوذرات SiO2 مورد تکمیل قرار گرفتند. مطابق با تصاویر SEM ، این تکمیل ضد آتش از طریق ایجاد لایه مقاوم کربنی در معرض شعله و حرارت‌های بالا بر روی سطح پارچه مانع از انتقال حرارت به بستر و رسیدن اکسیژن به محل اشتعال شده و از سوختگی آن به میزان قابل توجهی جلوگیری به عمل می‏آورد. در این مقاله تصاویر SEM قبل و بعد از تکمیل مورد تحلیل قرارخواهندگرفت.

 بررسی مورفولوژی سطحی پارچه‌های تکمیل شده به وسیله SEM

پارچه‌های تکمیل شده با ترکیب ضد آتش مقاومت خوبی در برابر اعمال حرارت از خود نشان دادند. در بخش‌های قبل توصیفی از فرآیندی که منجر به ایجاد چنین مقاومتی می‌گردد، بیان شد. در اینجا برای دریافت تصویری روشن‌تر از نحوه عملکرد این ترکیبات به کمک میکروسکوپ الکترونی SEM بافت بستر پارچه‌ای در چند مرحله مورد مشاهده و بررسی قرار گرفت.

• بستر نمونه شاهد

مراحلی که مورد مشاهده قرار گرفتند، شامل بستر پیش از تکمیل، بعد از تکمیل و بعد از سوختن می‌باشد. ابتدا نگاهی به روند سوختن یک بستر خام می‌اندازیم. همانطور که در تصاویر زیر مشاهده می‌شود، نمونه شاهد دارای دسته‌ای از الیاف و نخ بدون حضور هرگونه ماده‌ای بر روی آنها است.

شکل۱- تصویر SEM از الیاف پارچه پیش از تکمیل

چنانکه مشاهده می‌شود، فضای خالی بسیاری در میان الیاف و نخ‌ها وجود دارد و الیاف با فاصله از هم قرارگرفتند. همین فضاهای خالی حجم زیادی از هوا را درون خود جای داده است که در مرحله سوختن در رساندن اکسیژن به نقطه اشتعال و ادامه آن کاملاً موثر است. شکل ۲ تصویری از نمونه پس از اشتعال را نشان می‌دهد.

شکل۲- تصویر SEM از الیاف تخریب شده پارچه خام در اثر سوختن

همانطور که در شکل ۲ مشاهده می‌گردد، نمونه بعد از تکمیل به طور کامل تخریب می‌شود. این تخریب حرارتی سبب از بین رفتن کامل الیاف گردیده و بخش‌های پلیمری آن ذوب و کاملاً به هم چسبیده می‌شوند و شکلی مشابه فیلم پلیمری را تشکیل می‌دهند. در شکل ۳ نیز می‌توان با بزرگنمایی بالاتری مشاهده نمود که بخشی از الیاف که به منبع شعله نزدیک تر بوده، کاملاً ذوب و تخریب شده است. در تخریب الیاف پلیمری جمع‌شدگی و چکه کردن بخش‌های پلیمری روی می‌دهد که این مساله در شکل ۳ نیز مشخص است. بخش‌ها تخریب شده، کاملاً در هم آمیخته و حالت بافت پارچه به کلی دگرگون شده است.

شکل۳- تصویر SEM از تخریب لیف یک پارچه تکمیل نشده درون پارچه در اثر اعمال حرارت

• بستر بعد از تکمیل

تکمیل در نساجی فرآیندی است که طی آن لایه‌ای از یک ترکیب بر روی بستر پارچه پوشانیده می‌شود. این یک فرآیند کاملاً معمول در تولید محصولات نساجی است. در این پروژه نیز جهت ایجاد خاصیت بازدارندگی در برابر آتش از این روش که نسبتاً ارزان و کاربردی است، استفاده گردید. انتظار می‌رود که پس از تکمیل لایه‌ای از مواد جهت رسیدن به خاصیت مورد نظر بستر پارچه را بپوشاند. همانطور که در شکل ۴ مشاهده می‌گردد پس از تکمیل این فرآیند به طور کاملاً موفقیت آمیزی انجام شده است. لایه از مواد ضد آتش مورد نظر تمام فضای میان الیاف را پوشانده است که این مسأله نتیجه بخش بودن تکمیل را نشان می‌دهد.

شکل۴- تصویر SEM از دسته الیاف درون پارچه پس از تکمیل با ترکیب ضد آتش

تصویر فوق نشان می‌دهد که لایه‌ای از مواد فضای میان الیاف را پوشانده است. این اتفاق سبب می‌شود تا در معرض شعله یک لایه کربنی یکنواخت و گسترده سطح بستر را بپوشاند. این لایه علاوه بر آنکه از حجم اکسیژن موجود در میان فضای خالی الیاف کم می‌کند، در معرض شعله char گسترده‌ای را ایجاد می‌نماید که مانع از انتقال حرارت و اکسیژن می‌گردد.

در شکل ۵ و ۶ تصاویر با بزرگنمایی بالاتر از الیاف پیش و پس از تکمیل نیز آورده شده است. این تصاویر به خوبی نشان از ایجاد لایه‌ای بسیار نازک بر روی سطح الیاف است که در معرض شعله، بازدارندگی قابل توجهی را برای الیاف فراهم می‌آورد. نازک بودن این لایه تکمیلی نیز سبب می‌شود تا تغییرات چشمگیری در خواص این الیاف مشاهده نگردد.

شکل۵- تصویر SEM از الیاف درون پارچه پیش از تکمیل

شکل۶- تصویر SEM از الیاف درون پارچه پس از تکمیل با ترکیبات ضد آتش

• بستر تکمیل شده پس از سوختن

نتایج آزمون اشتعال پذیری نشان از مقاومت بالای بسترهای تکمیل شده در برابر شعله داشتند. برای بررسی دقیق‌تر فرآیند مقاومت این الیاف، تصاویر زیر بسیار راه‌گشا هستند. شکل ۷ پارچه تکمیل شده را پس از قرارگیری در معرض شعله و حرارت بالا نشان می‌دهد.

شکل۷- تصویر SEM از تشکیل لایه محافظ کربنی (char) پس از سوختن پارچه تکمیل شده

همانطور که مشاهده می‌شود الیاف دچار هیچ‌گونه تخریبی نشده‌اند. نکته قابل ملاحظه تشکیل لایه‌ای بر روی سطح بستر و الیاف است که همان char است که عامل اصلی بازدارندگی و مقاومت در برابر شعله می‌باشد. این لایه کربنی دارای نرخ انتقال حرارت (هدایت حرارتی) بسیار پایینی است و تشکیل این لایه در دمایی کمتر از دمای تخریب الیاف اتفاق می‌افتد. از این رو، پیش از این که الیاف دچار تجزیه گردند، لایه تکمیل شده تجزیه و یک لایه محافظتی کربنی را تشکیل می‌دهد. شکل ۸ نمایی نزدیک‌تر از لایه کربنی تشکیل شده بر روی بستر را نشان می‌دهد.

شکل۸- تصویر SEM از تشکیل لایه کربنی بر روی الیاف درون پارچه تکمیل شده جهت محافظت در برابر شعله

همانطور که مشاهده می‌گردد لایه کربنی در بیرونی‌ترین و در سطح بستر ایجاد گردید. نحوه محافظت این لایه کربنی نیز از طریق ممانعت از انتقال حرارت به الیاف، رساندن اکسیژن به محل اشتعال و نیز جلوگیری از خروج مواد فرار حاصل از احتراق اتفاق می‌افتد. از این رو، به شدت در مقابل شعله مقاومت نموده و گسترش شعله را به میزان زیادی بر روی بستر پارچه کُند می‌نماید.

منابع

1. Craig L. Beyler and Marcelo M. Hirschler, handbook of fire protection- CHAPTER 7: Thermal Decomposition of Polymers, 3rd Edn, 2002.
2. A. Beard and D. Angeler, Handbook of Combustion, Chapter 17. Flame Retardants: Chemistry, Applications, and Environmental Impacts, 2010.
3. I. van der Veen and J. de Boer, Phosphorus flame retardants: Properties, production, environmental occurrence, toxicity and analysis, Chemosphere, vol 88 , 1119–۱۱۵۳, ۲۰۱۲٫
4. K. Kishore and K. Mohandas, Action of Phosphorus Compounds on Fire-–p 54 Issue 2, Vol 6.terials, Fire and Ma, retardancy of Cellulosic Material58, June 1982.