اصلاح خواص قیر با بازیافت ماسک‌های آلوده به ویروس کرونا
جولای 9, 2026
نوع مقاله: مقاله علمی کنفرانسی
عنوان کنفرانس (فارسی):
هفتمین کنفرانس بین‌المللی نوآوری و تحقیق در علوم مهندسی
عنوان کنفرانس (انگلیسی):
7th International Conference on Innovation and Research in Engineering Sciences (ICIRES 2020)
تاریخ برگزاری:
۷ آبان ۱۳۹۹
محل برگزاری:
تفلیس، گرجستان
میزبان علمی:
آکادمی بین‌المللی علوم و مطالعات گرجستان
نویسندگان:
مژگان سادات جلالی
علی‌اکبر کاظمینی
داود اصغری
مهدیه اسکندریان
مرکز تحقیق و توسعه:
شرکت آسیاگستر دلیجان
چکیده
برای اندود کردن ساختمان‌ها و سازه‌ها به ویژه آن‌هایی که در معرض رطوبت قرار دارند از عایق‌های رطوبتی پیش‌ساخته مطابق با استاندارد INSO 3885 استفاده می‌شود. در میان این عایق‌ها، عایق‌های پایه قیری به دلیل سهولت تهیه و خواص چسبندگی خوب کاربرد وسیع‌تری از سایرین دارند.
عایق رطوبتی پیش‌ساخته شامل رزین قیر–پلیمر و الیاف مصنوعی به عنوان بستر است که مطابق با استاندارد INSO 3877 با حرارت بر بستر بام چسبانده می‌شود و از نفوذ آب و رطوبت به محیط زیر خود جلوگیری می‌کند.
عایق رطوبتی پیش‌ساخته در دو نوع، تک‌لایه با لایه پلی‌استر و یا یک لایه اسپان‌باند و همچنین دولایه با یک لایه پلی‌استر همراه با یک لایه الیاف شیشه تولید و عرضه می‌شود. هر یک از انواع گفته شده دارای مزایا، معایب و کاربردهای متفاوتی می‌باشند.
یکی از معایب در عایق رطوبتی پیش‌ساخته، نداشتن مقاومت حرارتی لازم الیاف پلی‌استر در زمان نصب می‌باشد. در زمان نصب، حرارت زیاد مشعل باعث سوختن این لایه می‌گردد. همچنین در صورتی که کمتر از حد معمول حرارت داده شود، عایق کاملاً به سطح کار نچسبیده و باعث نفوذ آب و رطوبت به زیر عایق می‌گردد (روش نصب مطابق با استاندارد INSO 3877).
لذا در این تحقیق سعی شده با به کار بردن پوشش‌های متورم‌شونده فسفری–نیتروژنی این مشکل برطرف گردد. مطابق با تصاویر SEM، این پوشش از طریق ایجاد لایه کربنی در معرض شعله و حرارت‌های بالا بر روی سطح الیاف پلی‌استر، 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.
نتایج آزمون‌های اشتعال‌پذیری و توزین حرارتی TGA نشان می‌دهد که ترکیب مورد استفاده قادر است تا به طور کامل گسترش شعله بر روی الیاف پلی‌استر را متوقف نماید و در مقایسه با ترکیب ضدآتش CCL Flac EVO شرکت DYSTAR نیز عملکرد بهتری داشته باشد.
همچنین نتایج آزمون ویژگی‌های منسوج پلی‌استر نبافته (استاندارد INSO 3889) نشان می‌دهد که این عملیات بر روی ویژگی‌های فیزیکی پلی‌استر تأثیری ندارد.
کلیدواژه‌ها: عایق رطوبتی پیش‌ساخته، الیاف پلی‌استر، پوشش متورم‌شونده، پایداری حرارتی
مقدمه
روش‌های مختلفی وجود دارد که یک الیاف پلی‌استر مقاوم در برابر آتش ایجاد شود. اصلاح سطحی، افزودنی‌های تأخیرانداز آتش در الیاف مصنوعی، فناوری نانوکامپوزیت، الیاف پلی‌استر مقاوم در برابر گرما و یا تأخیرانداز در آتش از جمله این روش‌ها هستند.
در حقیقت، اصلاحات سطحی فواید زیادی دارند؛ از جمله اینکه خواص ذاتی مواد را تغییر نمی‌دهند، از نظر فرآیندی دشوار نیستند و روی الیاف پلی‌استرهای مختلف (از لحاظ وزنی) می‌توانند اعمال شوند. به علت این کارایی بالا، در این پژوهش از پوشش‌های متورم‌شونده استفاده شده است.
این پوشش‌ها به جای یک مکانیسم منفعل، با یک مکانیسم فعال، فرآیند سوختن و تخریب الیاف پلی‌استر را قطع می‌کنند.
در این فرآیند همان‌طور که در شکل ۱-الف نشان داده شده است، بر اثر حرارت یک لایه ذغالی که چگالی آن با تابعیت از دما کاهش پیدا می‌کند بر روی پلی‌استر ایجاد می‌شود.
این لایه با ایجاد یک سد فیزیکی، انتقال گرما را به الیاف پلی‌استر کند کرده و مقاومت حرارتی لازم برای الیاف پلی‌استر مورد نیاز عایق رطوبتی پیش‌ساخته را تأمین می‌کند (شکل ۱-ب).
در سال‌های اخیر، استفاده از پوشش‌های ضدآتش متورم‌شونده شامل ترکیبات فسفری–نیتروژنی به منظور محافظت از انواع الیاف در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.
در این پژوهش از آمونیوم کلرید و آمونیوم فسفات به عنوان پوشش متورم‌شونده و از یک ماده شوینده برای کاهش کشش سطحی استفاده شده است.
شکل1 :
الف) ایجاد یک لایه ذغالی بر اثر حرارت بر روی الیاف پلی‌استر
ب) عایق رطوبتی با لایه پلی‌استر
مواد و روش‌ها
در این روش ابتدا، لایه الیاف پلی‌استر با رزین آمونیوم کلرید و آمونیوم فسفات آغشته می‌شود. این رزین پس از تهیه به سطح الیاف اسپری شده و پس از آن، برای حفظ شرایط ایجاد شده وارد خشک‌کن می‌شود.
برای کاهش کشش سطحی رزین بر روی الیاف پلی‌استر از یک ماده شوینده یا سورفکتانت استفاده می‌کنیم تا بتوانیم مطابق با شکل ۲، رزین غیرمرطوب‌کننده را به رزین مرطوب‌کننده تبدیل کنیم. این فرآیند باعث پوشش بهتر و سریع‌تر پلی‌استر می‌شود.
شکل ۲:الف) آغشته کردن الیاف پلی‌استر با رزین قبل از استفاده از سورفکتانت
ب) آغشته کردن الیاف پلی‌استر با رزین بعد از استفاده از سورفکتانت
این اصلاح‌کننده‌ها با ایجاد لایه روی الیاف پلی‌استر، اثر حرارت را بر روی آن از بین برده و از سوراخ شدن لایه الیاف پلی‌استر در حین اجرای عایق پیش‌ساخته روی بام (مطابق با استاندارد INSO 3877) جلوگیری می‌کنند.
شکل ۳:الف) نصب عایق رطوبتی پیش‌ساخته
ب) الیاف پلی‌استر استفاده شده در عایق رطوبتی پیش‌ساخته
در این مقاله، با بررسی تحمل حرارتی الیاف پلی‌استر، اولین قدم در تعیین اهمیت خاصیت حرارتی الیاف برداشته شد تا با بررسی‌های بعدی، اثر رزین‌های فسفری–نیتروژنی بر لایه پلی‌استر عایق‌های پیش‌ساخته بهتر مشخص شود. در واقع، پدیده تشکیل لایه روی الیاف پلی‌استر مهم‌ترین عامل کنترل‌کننده دما می‌باشد.
نتایج و بحث
آزمون اشتعال‌پذیری عمودی و افقی
چنانچه تصاویر آزمون در شکل ۴ نشان می‌دهد، نمونه خام الیاف پلی‌استر به طور کلی سوخته و کاملاً جرم از دست می‌دهد. این کاهش جرم شدید نتیجه خروج بالای محصولات فرار احتراق و نیز چکه نمودن بخش پلیمری در جریان اشتعال است.
اما در طرف دیگر مشاهده می‌شود که نمونه تکمیل شده نه تنها گسترش شعله‌ای نداشت و اکثر بخش‌های نمونه سالم باقی مانده است، بلکه بخش‌های مقابل حرارت شعله صرفاً سیاه شده و هدررفت جرم نیز نداشته‌اند.
همین عدم کاهش جرم که ناشی از ایجاد یک لایه کربنی مقاوم است، عامل اصلی نسوختن الیاف پلی‌استر در برابر حرارت بالا است.
در این بررسی چهار پارامتر شامل:
- طول سوختگی (Char Length)
- زمان گسترش شعله (Flame Spread Time)
- نرخ سوختن (Burning Rate)
- باقیمانده نهایی (Residue)
مورد بررسی قرار گرفت.
همچنین در ادامه، دسته‌بندی نمونه‌ها مطابق با استاندارد UL-94 آورده شده است.
شکل4:
الف) نمونه شاهد
ب) نمونه تکمیل شده پس از آزمون اشتعال‌پذیری عمودی
در جدول ۱ نتایج حاصل از آزمایش اشتعال‌پذیری عمودی مشاهده می‌شود. نمونه شاهد یک نمونه الیاف پلی‌استری است که کاملاً آتش‌گیر می‌باشد.
جدول ۱:نتایج آزمون اشتعال‌پذیری عمودی ASTM D6413
جدول ۱ به خوبی این مسئله را نشان می‌دهد. نمونه در هنگام تست به سرعت شعله‌ور شده و می‌سوزد. اشتعال آن بسیار سریع بوده و همراه با انتشار دود بسیار زیادی است.
در نهایت نیز تنها حدود ۵/۷ درصد از جرم اولیه پس از سوختن باقی می‌ماند که این مسئله شدت سوختگی بالای این پلی‌استر را نمایان می‌کند.
نمونه تکمیل شده به هیچ عنوان شعله‌ور نشده است. از این رو زمان گسترش شعله‌ای و نرخ سوختن قابل توجهی نداشت.
عملکرد این نمونه‌ها را همچنین می‌توان در باقیمانده سوخته آن‌ها نیز مشاهده کرد. تصاویر این دو نمونه در شکل ۴ آورده شده است.
این نمونه مطابق با استاندارد UL-94 در دسته مواد V-0 قرار می‌گیرد که به معنای خودخاموش‌شوندگی و عدم اشتعال‌پذیری آن است.
در ارزیابی مقاومت حرارتی نمونه‌ها در جهت افقی نیز، نمونه شاهد به طور کامل سوخت و تمامی جرم نمونه با گسترش شعله از بین رفت. اما نمونه تکمیل شده که حاوی ترکیبات ضدآتش بود، همانند حالت عمودی مقاومت مطلوبی را از خود به نمایش گذاشت.
شکل ۵:الف) نمونه شاهد
ب) نمونه تکمیل شده پس از آزمون اشتعال‌پذیری افقی
بررسی تصاویر SEM
چنانچه در تصاویر شکل ۶ مشاهده می‌شود، نمونه شاهد دارای دسته‌ای از الیاف و نخ بدون حضور هرگونه ماده‌ای بر روی آن‌ها است. نمونه شاهد بعد از سوختن به طور کامل تخریب می‌گردد. این تخریب حرارتی سبب ذوب و از بین رفتن کامل الیاف گردیده است.
شکل6:تصویر SEM الیاف پلی‌استر
الف) قبل از سوختن
ب) بعد از سوختن
الیاف پلی‌استر بعد از اینکه از مواد ضدآتش پوشانده شد، در معرض شعله و حرارت بالا قرار گرفت. همان‌طور که در شکل ۷ مشاهده می‌شود، الیاف دچار هیچ‌گونه تخریبی نشده‌اند.
نکته قابل ملاحظه، تشکیل لایه‌ای بر روی سطح بستر و الیاف است. این لایه همان عامل اصلی بازدارندگی و مقاومت در برابر شعله است.
این لایه کربنی دارای نرخ انتقال حرارت (هدایت حرارتی) بسیار پایینی است. تشکیل این لایه در دمایی کمتر از دمای تخریب الیاف اتفاق می‌افتد. از این رو، پیش از آنکه الیاف دچار تجزیه گردند، لایه تکمیل شده تجزیه شده و یک لایه محافظتی کربنی را تشکیل می‌دهد.
شکل 7:تصاویر SEM از قسمت‌های مختلف الیاف پلی‌استر بعد از ایجاد پوشش و قرار گرفتن آن در معرض حرارت
مقاوم‌کننده‌های حرارتی در حین فرآیند سوختن، از طریق تشکیل یک لایه حفاظتی کربونیزه شده با هدایت حرارتی پایین، شار انتقال حرارت را در جریان احتراق کاهش می‌دهند.
همچنین تشکیل این لایه مانع از خروج مواد فرار تولیدی در اثر اشتعال می‌گردد که جلوگیری از کاهش جرم بستر را به دنبال دارد.
تشکیل این لایه در حضور ترکیبات فسفری بهبود قابل توجهی می‌یابد. این لایه عایق حرارت بوده و مانع نفوذ شعله به بخش‌های درونی‌تر و گسترش آن به سایر نواحی می‌گردد.
در جریان احتراق و تجزیه این ترکیبات، مواد پلی‌فسفریک آزاد می‌شود که به صورت مانعی شیشه‌ای عمل می‌نمایند.
نتیجه‌گیری
در این پروژه یک ترکیب ضدآتش فسفری با خاصیت تورمی تولید شد. از نانوذرات معدنی نیز جهت بهبود کارایی آن استفاده گردید.
نتایج آزمون‌های اشتعال‌پذیری، توزین حرارتی و استاندارد INSO 3889 نشان می‌دهد تکمیل صورت گرفته دارای بازدارندگی بسیار مطلوبی در برابر آتش و حرارت، بدون تغییر در خواص فیزیکی پلی‌استر می‌باشد.
همچنین در یک مقایسه میان کارایی این ترکیب با ترکیبات ضدشعله تجاری که توسط شرکت‌های خارجی تولید گردیده، مشخص شد که ترکیب حاضر از نظر کارایی کاملاً قابل رقابت با آن‌ها بوده و حتی دارای کارایی بالاتر نیز است.
سپاسگزاری
این تحقیق در آزمایشگاه تحقیق و توسعه شرکت آسیاگستر دلیجان انجام گرفته است. از زحمات مدیریت و کارکنان این شرکت در انجام این تحقیق تشکر و قدردانی می‌گردد.
منابع
- جلالی، مژگان سادات، کاظمینی، علی‌اکبر و حسینی، محمدعلی. شناخت و آماده‌سازی قیر الاستومری ویژه تولید ورقه‌ای انعطاف‌پذیر قیری، چهارمین کنفرانس بین‌المللی نوآوری و تحقیق در علوم مهندسی (ICIRES)، گرجستان، ۱۳۹۸.
- جلالی، مژگان سادات، کاظمینی، علی‌اکبر و حسینی، محمدعلی. پلیمرهای اکریلیکی جایگزین روکش آلومینیوم در عایق رطوبتی برای کاهش آلودگی زیست‌محیطی، چهارمین همایش ملی دانش و فناوری علوم کشاورزی، منابع طبیعی و محیط زیست، تهران، ۱۳۹۸.
- باقری، بهزاد، قنبری، فیروز و وزیری، علیرضا. مروری بر پوشش‌های متورم‌شونده تأخیرانداز آتش در الیاف پلی‌استر، اولین کنگره ملی کاربرد مواد و ساخت پیشرفته در صنایع، تهران، ۱۳۹۶.
- حسینی شکرآبی، سیده فرخ، ورسه‌ای، مهدی، میرخانی، ریحانه و علی‌بابایی، حمیدرضا. استفاده از ترکیبات فسفری جهت دیرسوز کردن پارچه پلی‌استری، دهمین کنفرانس ملی مهندسی نساجی، اصفهان، ۱۳۹۴.
