رفتار آتش گیری، استحکام مکانیکی و پایداری ابعادی در کامپوزیت های آردچوب- پلی اتیلن تحت تأثیر مواد دیرسوزکننده مختلف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار علوم و صنایع چوب و کاغذ، گروه سلولزی و بسته‌بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران

چکیده

اشتعال پذیری یکی از مهمترین پارامترهایی است که دامنه کاربرد کامپوزیت های چوب پلاستیک را دچار محدودیت می سازد. از این رو بهبود خواص دیرسوزی این فرآورده ها از اهمیت به سزایی برخوردار است. این پژوهش با هدف ارزیابی تاثیر گرافیت متورم شونده (EG) و ترکیب آن با آلومنیوم تری هیدروکسید (ATH)، فسفات غیرآلی (IP) و ملامین بورات (MB) بر روی اشتعال پذیری کامپوزیت های ساخته شده از آردچوب-پلی اتیلن انجام شد. کامپوزیت ها با روش اختلاط مذاب ساخته شدند و عملکرد آتش گیری آنها با آزمون گرماسنجی مخروطی و اندازه گیری شاخص اکسیژن حدی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تأثیر مواد دیرسوزکننده مختلف بر روی استحکام مکانیکی و جذب آب نمونه ها مورد مطالعه قرار گرفت. آزمون گرماسنجی مخروطی نشان داد که با افزودن مواد دیرسوزکننده مقدار گرمای آزاد شده و سرعت سوختن کاهش و مقدار ذغال باقی مانده و زمان آتش گیری افزایش یافت. این یافته ها به شکل گیری لایه ذغالی محافظتی به وسیله مواد دیرسوزکننده نسبت داده شد. ترکیب گرافیت متورم شونده با دیگر مواد دیرسوزکننده در مقایسه با نمونه هایی که تنها از گرافیت متورم شونده به عنوان ماده دیرسوزکننده بهره می بردند، نتایج بهتری را حاصل کرد. آزمون اندازه گیری شاخص اکسیژن حدی برای تعیین کمترین مقدار اکسیژن که در آن ماده در سیال مخلوط اکسیژن و نیتروژن مشتعل باقی می ماند، بکار گرفته شد. نتایج نشان داد که افزودن مواد دیرسوزکننده، شاخص اکسیژن حدی نمونه ها را بهبود می دهد. به علاوه، در اثر حضور مواد دیرسوزکننده استحکام کششی و خمشی (مقاومت و مدول الاستیسیته) و مقاومت به ضربه فاقدار نمونه ها کاهش و جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش نشان داد. به طورکلی در میان تیمارهای مورد مطالعه، سیستم کندسوزکننده EG–ATH بالاترین پتانسیل را در بهبود دیرسوزی کامپوزیت ها نشان داد.

کلیدواژه‌ها


[1] Chapple, S. and Anandjiwala, R., 2010. Flammability of natural fiber-reinforced composites and strategies for fire retardancy: A review. Journal of Thermoplastic Composites Materials, 23:871–893.

[2] Puglia, D., Biagiotti, J. and Kenny, J.M., 2004. A review on natural fibre-based composites-Part II: application of natural reinforcements in composite materials for automotive industry.Journal of Natural Fibers, 1(3): 23–65.

[3] Giancaspro, J., Papakonstantinou, C. and Balaguru, P., 2009. Mechanical Behavior of fire-resistant biocomposite, Composites: Part B, 40(3): 206–211.

[4] Stark, N. M., White R. H., Mueller, S. A. and Osswald, T. A., 2010. Evaluation of various fire retardants for use in wood flour polyethylene composites, Polymer Degradation and Stability, 95:1903–1910.

[5] Horrocks, A.R., 1983. An introduction to the burning behavior of cellulosic fibers, Journal of the Society of Dyers and Colourists, 99:191–197.

[6] Seefeldt, H. and Braun, U., 2012. A new flame retardant for wood materials tested in wood-plastic composites. Macromolecular Materials and Engineering, 297 (8):814–820.

[7] Sain, M., Park, S. H., Suhara, F. and Law, S., 2004. Flame retardant and mechanical properties of natural fibre–PP composites containing magnesium hydroxide. Polymer Degradation and Stability, 83:363–367

[8] Abu Bakar, M. B., Ishak, Z. A. M., Taib, R. M., Rozman, H. D. and Jani, S. M., 2010. Flammability and mechanical properties of wood flour-filled polypropylene composites. Journal of Applied Polymer Science, 116: 2714– 2722.

[9] Laufenberg, T., Ayrilmis, N. and White, R. H., 2006. Fire and bending properties of blockboard with fire retardant treated veneers. Holz Roh Werkst, 64:137– 143.

[10] Fanga, Y., Wanga, Q., Guoa, Ch., Songa, Y. and Cooperb P. A., 2013. Effect of zinc borate and wood flour on thermal degradation and fire retardancy of Polyvinyl chloride (PVC) composites. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 100: 230–236.

[11] Andreas, M. and Hartmut, W., 2001. Injection molding of natural fibre reinforced thermoplastics. Kunststoffe Plast Europe 2001; 91:25–27.

[12] Nikolaeva, M. and Karki, T., 2011. A review of fire retardant processes and chemistry with discussion of the case of wood plastic composites. Baltic Forestry, 17(2):314–326.

[13] White, R. H., Dietenberger, M. A. and Stark, N. M., 2007. Cone calorimeter tests of wood-based decking materials. In: Proceedings eighteenth annual BCC conference on flame retardancy. May 21–23, Stamford, CT., p 326–337.

[14] Georlette, P., Simons, J. and Costa, L., 2000. Fire retardancy of polymeric materials: halogen-containing fire-retardant compounds. Marcel Dekker, Inc. New York, USA, 245 p.

[15] Weil, E. D., 2000. Fire retardancy of polymeric materials: synergists, adjuvant, and antagonists in flame-retardant systems. Marcel Dekker, Inc. New York, USA, 115 p.

[16] Wang, W., He, K., Dong, Q., Fan, Y., Zho, N., Xia, Y., Li, H., Wang, J., Yuan, Zh., Wang, E., Wang, X. and Ma, H., 2013. Influence of aluminum hydroxide and expandable graphite on the flammability of polyisocyanurate-polyurethane foams. Applied Mechanics and Materials, 368-370: 741-746.

[17] Wang, Z., Han, E. and Ke, W., 2007. Influence of expandable graphite on fire resistance and water resistance of flame-retardant coatings. Corrosion Science, 49: 2237–2253

[18] Seefeldt, H., Braun, U. and Wagner, M. H., 2012. Residue Stabilization in the fire retardancy of wood–plastic composites: Combination of ammonium polyphosphate, expandable graphite, and red phosphorus. Macromolecular Chemistry and Physics, 213(22):2370–2377.

[19] Bai, G., Guo, Ch. and Li, L., 2014. Synergistic effect of intumescent flame retardant and expandable graphite on mechanical and flame-retardant properties of wood flour-polypropylene composites. Construction and Building Materials, 50: 148–153.

[20] Hua, L. and Wang, Zh., 2012. Flame Retardant and Mechanical Properties of Expanded Polystyrene Foams Containing Aluminum Phosphinate and Expandable Graphite. In: International Conference on Advances in Energy, Environment and Chemical Engineering (AEECE). September 26-27, Changsha, China, p 223–226.

[21] Moon, S. C., Jo, B. W. and Farris, R. J., 2009. Flame resistance and foaming properties of NBR compounds with halogen-free flame-retardants. Polymer Composites, 30: 1732-1742.

[22] Hull, R. and Kandola, B. K., 2009. Fire retardancy of polymers: New strategies and mechanisms, Royal Society of Chemistry, Burlington House, London, UK, 456 p.

[23] Standard practice for conditioning plastics for testing. Annual Book of ASTM Standard, D618, 2013.

[24] Standard test method for heat and visible smoke release rates for materials and products using an oxygen consumption calorimeter. Annual Book of ASTM Standard, E1354, 2016.

[25] Standard test method for measuring the minimum oxygen concentration to support candle-like combustion of plastics (oxygen index). Annual Book of ASTM Standard, ASTM D2863, 2013.

[26] Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. Annual Book of ASTM Standard, ASTM D790, 2015.

[27] Standard test method for tensile properties of plastics. Annual Book of ASTM Standard, ASTM D638, 2014.

[28] Standard test methods for determining the izod pendulum impact resistance of plastics. Annual Book of ASTM Standard, ASTM D256, 2010.

[29] Standard guide for evaluating mechanical and physical properties of wood-plastic composite products. Annual Book of ASTM Standard, ASTM D7031, 2011.

[30] Wang, Q.W., Li, J. and Winandy, J. E., 2004. Chemical mechanism of fire retardance of boric acid on wood, Wood Science and Technology, 38:375–389.

[31] García, M., Hidalgo, J., Garmendia, I. and García-Jaca, J., 2009. Wood–plastics composites with better fire retardancy and durability performance. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 40(11): 1772–1776.

[32] Stark, N. M., Mueller, S. A., White R. H. and Osswald, T. A., 2010. Effect of fire retardants on heat release rate of wood flour-polyethylene composites. In: Tenth International Conference on Wood & Biofiber Plastic Composites and Cellulose Nanocomposites Sysmposium. May 11-13, Madison, USA, p 103-110.

[33] Arao, Y.,  Nakamura, S., Tomita, T., Takakuwa, K., Umemura, T. and Tanaka, T., 2014. Improvement on fire retardancy of wood flour/polypropylene composites using various fire retardants. Polymer Degradation and Stability, 100:79–85.