مقدمه
مقاومت پلیمرها در برابر حرارت یکی از مهمترین ویژگیهایی است که در صنایع مختلف مانند ساختمان، خودرو، کابلسازی و تجهیزات الکتریکی باید با دقت مورد ارزیابی قرار گیرد. بسیاری از پلیمرها در برابر آتش رفتارهای متفاوتی نشان میدهند؛ برخی سریع شعلهور میشوند، برخی دود غلیظ تولید میکنند و برخی دیگر بهطور خودکار خاموش میشوند. شناخت درست این رفتارها به تولیدکنندگان و مصرفکنندگان کمک میکند تا مواد مناسبتری انتخاب کرده و ایمنی فرایندها و محصولات را افزایش دهند.
در این مقاله سه شاخص کلیدی برای ارزیابی ایمنی حرارتی پلیمرها بررسی میشود: شاخص LOI، نرخ آزادسازی حرارت (HRR) و تراکم دود (NBS).
شاخص های ارزیابی مقاومت پلیمرها در برابر حرارت
۱. شاخص LOI؛ نشاندهنده توان خاموششوندگی یا ادامه سوختن پلیمر
یکی از شناختهشدهترین معیارها برای سنجش مقاومت پلیمرها در برابر حرارت، شاخص اکسیژن محدودکننده یا LOI (Limited Oxygen Index) است. این شاخص نشان میدهد که یک ماده برای ادامه سوختن به چه میزان اکسیژن نیاز دارد.
LOI چگونه محاسبه میشود؟
برای محاسبه LOI، حداقل غلظت اکسیژن (O₂) و حداقل غلظت نیتروژن (N₂) لازم برای ادامه یافتن شعله اندازهگیری میشود. هرچه مقدار LOI یک پلیمر بالاتر باشد، برای سوختن به اکسیژن بیشتری نیاز دارد و در نتیجه سختتر مشتعل میشود.
LOI چه معنایی دارد؟
برای مثال، پلیمر PVC معمولاً دارای LOI حدود ۴۵ است؛ به این معنی که در هوای معمولی با ۲۱ درصد اکسیژن، در صورت حذف منبع آتش بهسرعت خاموش میشود. بنابراین پلیمرهایی با LOI بالا ذاتاً خودخاموششونده و ایمنتر هستند.
۲. نرخ آزادسازی حرارت HRR؛ شاخص قدرت واقعی آتش
نرخ آزادسازی گرما یا HRR معیاری است که نشان میدهد یک ماده هنگام سوختن در هر ثانیه چه مقدار انرژی تولید میکند.
این شاخص با واحد kW/m² اندازهگیری میشود و یکی از مهمترین معیارها برای تعیین شدت و قدرت آتش است.
اهمیت HRR چیست؟
• اگر مقدار HRR یک پلیمر بالا باشد، آتش بهسرعت گسترش مییابد.
• هرچه این مقدار کمتر باشد، احتمال اشتعال گسترده و خطرناک کاهش پیدا میکند.
• در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، کابلها و ساختمان، استانداردهای سختگیرانهای برای HRR تعریف شده است.
چوب معمولاً بهعنوان یک مرجع استاندارد برای مقایسه رفتار مواد در زمان سوختن استفاده میشود.
مقایسه LOI و HRR در برخی پلیمرها
۳. محفظه NBS؛ سنجش میزان تولید دود و کدری آن
در بسیاری از آتشسوزیها، دود عامل اصلی مرگومیر و خسارت است؛ نه شعله. به همین دلیل ارزیابی میزان دود تولیدی پلیمرها اهمیت بسیار زیادی دارد.
تست NBS چگونه انجام میشود؟
نمونه کوچک از ماده در محفظه بسته قرار داده میشود و در دو حالت مورد بررسی قرار میگیرد:
1. حالت شعلهور (Flaming) – نمونه مستقیماً در معرض شعله قرار میگیرد.
2. حالت بدون شعله (Smoldering) – ماده در معرض تابش حرارتی قرار میگیرد تا فرایند پیرولیز شبیهسازی شود.
در این تست، میزان عبور نور از دود اندازهگیری و پارامتری به نام چگالی نوری ویژه (Ds) گزارش میشود.
عدد بالاتر Ds یعنی دود غلیظتر، دید کمتر و خطر بیشتر.
رفتار PVC در برابر حرارت و دود
PVC از جمله پلیمرهایی است که در مقایسه با بسیاری از مواد پلیمری خودخاموششونده محسوب میشود. با این حال در زمان سوختن، دود سیاه و گازهای سمی تولید میکند.
نتایج رایج تست PVC بر اساس استاندارد ASTM E662
• حالت بدون شعله: حدود 300 Dmc
• حالت شعلهور: حدود 600 Dmc
تأثیر افزودنیها بر عملکرد PVC
• ترکیبات معدنی نظیر کلسیم و کلرید هیدروژن میتوانند چگالی دود را حدود ۲۵ تا ۳۵ درصد کاهش دهند.
• اکسید آنتیموان معمولاً باعث افزایش دود میشود.
• در کابلها استفاده از ترکیبات مولیبدن روی یا مولیبدن آلومینیوم عملکرد بهتری در کاهش دود دارد.
افزودنیهای بازدارنده و کمدود برای PVC
برای افزایش مقاومت پلیمرها در برابر حرارت و کاهش میزان دود، از ترکیبات ویژهای استفاده میشود که به آنها افزودنیهای FRLS (بازدارنده شعله کمدود) گفته میشود.
اهداف افزودنیهای FRLS
• بالا بردن LOI تا محدوده 28 تا 32 درصد
• جلوگیری از انتشار گازهای سمی
• کاهش میزان دود و بهبود عملکرد حرارتی
ترکیبات موثر
• تریهیدرات آلومینیوم
• ترکیبات منیزیم و روی
• آنتیموان
• مولیبداتها
• اکسیدهای فلزی مانند CuO و Fe₂O₃
این مواد با ایجاد یک لایه محافظ (char) یا کمک به احتراق کاملتر، مقدار دود و گازهای مضر را کاهش میدهند.
جمعبندی؛ چرا شناخت شاخصهای حرارتی پلیمرها مهم است؟
در صنایع امروزی، انتخاب پلیمر تنها بر اساس قیمت یا استحکام انجام نمیشود. مقاومت پلیمرها در برابر حرارت و رفتار آنها هنگام آتشسوزی یکی از معیارهای اصلی تصمیمگیری است.
شاخصهایی مانند LOI، HRR و تراکم دود کمک میکنند تا بفهمیم یک پلیمر چقدر ایمن است و در شرایط آتشسوزی چه واکنشی نشان میدهد.
افزودنیها و فرمولاسیونهای مناسب نیز میتوانند این ویژگیها را بهبود داده و ایمنی نهایی محصول را چند برابر کنند.
ارتباط با شرکت بازگانی افشین کرمی (آوان زر تجارت پیشرو)
جهت استعلام قیمت های مواد اولیه پلاستیک ویرجین و کامپاند برای خرید داخلی و نیز صادراتی با کارشناسان ما در ارتباط باشید.