Alev geciktirici ve termal olarak yalıtkan polimerler, teknolojik öneme ve temel ilgiye sahiptir. Polimerler, bilinen başka hiçbir malzemede bulunmayan benzersiz özellik kombinasyonları sayesinde, havacılık, otomotiv endüstrisi, bina inşaatı, elektronik gibi modern teknolojilerin içine sızmaya devam etmektedir. Polimerler hafiftir, dayanıklıdır, işlenmesi kolaydır, elektriksel olarak yalıtkandır ve korozyona dayanıklıdır, yaygın polimerler ayrıca termal olarak yalıtkandır. Ancak polimerler, karbon ve hidrojen atomlarından oluşan kimyasal yapıları nedeniyle yanıcıdırlar. Yanabilirlik standartlarını karşılamak için yanmaz polimerler için alev geciktiriciler geliştirilmiştir.
İnsan hayatını ve mülkünü korumak için, alev geciktirici polimerler genellikle polimerlere alev geciktiriciler eklenerek yapılır. Yaygın halojenli alev geciktiricilerde, toksik veya aşındırıcı yan ürünlerin salınmasıyla ilişkili dezavantajlar vardır, bunlar bu salınan zehirli gazların neden olduğu çevre ve sağlık sorunlarıdır. Bu nedenle, yüksek performanslı, toksik olmayan, düşük maliyetli ve çevre dostu alev geciktiricilerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Yangın geciktirici mekanizmaları anlamak, yeni etkili alev geciktiriciler geliştirmek için esastır. Polimerlerin yangın geciktirici davranışlarının iyileştirilmesi, mobilya, ulaşım ürünleri ve yapı inşaat malzemeleri gibi gelecekteki endüstriyel uygulamalarda kilit rol oynamaktadır.
Geçtiğimiz on yıllarda, polimerler için farklı alev geciktiriciler geliştirilmiştir ve polimer alev geciktirici mekanizmaları daha fazla araştırılmıştır. Alev geciktiriciler genellikle kimyasal bileşimlerine göre brom, klor, fosfor, nitrojen, bor veya inorganik dolgu maddeleri (metaller vb.) içerip içermemelerine göre gruplandırılan kategorilere ayrılmıştır. Alev geciktiricilerin tüm kategorilerinin, kimyasal veya fiziksel bir mekanizma yoluyla yanma işlemlerini engellemek veya durdurmak için buhar fazında veya yoğun fazda hareket ettiği yaygın olarak kabul edilmektedir. Alev geciktiriciler, örneğin ısıtma, piroliz, ateşleme veya alevin yayılması gibi belirli bir aşamada yanmayı engelleyebilir. Bunun yanında alev geciktiriciler, kimyasal olarak (yoğunlaşmış veya gaz fazında reaksiyon) veya fiziksel olarak (soğutma, koruyucu tabaka oluşumu veya yakıt seyreltme yoluyla) etki edebilir. Polimer yanıcılık özellikleri, tutuşabilirlik, alev yayılımı ve ısı yayma karakterizasyonları ile araştırılmıştır. Polimerlerin hedeflenen uygulamasına bağlı olarak, bir veya daha fazla spesifik yanıcılık kriterinin (örneğin, ASTM’nin yangın ve yanıcılık standartları) karşılanması gerekir.
Alev geciktiriciliğe ek olarak, polimerlerin ısıl yalıtım özelliği, hedefleri ısı hasarına karşı koruyabilen ve hayat kurtarabilen bir başka önemli işlev olabilir. Polimerlerdeki alev geciktirici ve ısı yalıtım mekanizmalarını tam olarak anlamak zor olmaya devam etmektedir. Alev geciktirici, mekanik mukavemet ve ısı yalıtımı özelliklerine sahip gelişmiş polimerlere ihtiyaç vardır. Bu tür polimerler, örneğin bina yalıtım uygulamaları gibi tek işlevli polimerlere kıyasla sivil uygulamalarda daha geniş bir beklenti sağlayacaktır.
Bu yazıda yalnızca mevcut alev geciktirici ve ısıl yalıtkan polimerleri sunmayı amaçlamakla kalmaz, aynı zamanda yangından korunma uygulamaları için yeni nesil alev geciktirici ve ısıl yalıtkan polimerleri de vurgular. Polimer alevlenebilirliği ilkelerini, alev geciktirici teorisini, termal olarak yalıtkan ve alev geciktirici polimerleri ve kritik tartışma ve görünümü içeren alev geciktirici ve termal olarak yalıtkan polimerlerin temel ilgi alanlarını ve teknolojik önemini özetlemektedir.
Alev Geciktirici ve Termal Olarak Yalıtkan Polimerlerin Tarihçesi ve Perspektifi
Polimer Yanıcılığının İlkeleri
Bir yangını başlatmak ve sürdürmek için üç bileşen – ısı, oksijen ve yakıt gereklidir. Polimer, harici ateşleme kaynakları tarafından ısıtıldığında bozulmaya başlar ve karakteristik bir sıcaklığa ulaşır. Çevreleyen oksijen miktarı, polimer yüzey bozunmaları (örneğin, polimerlerin termo-oksidatif bozunması ve/veya polimerlerin ısıl bozunması) üzerinde kilit rol oynar. Polimer ayrışması için oksijen miktarı, kullanılan spesifik polimere bağlıdır. Yakıt olarak yanıcı gazlar, polimer bozunma hızına bağlı bir oranda üretilebilir ve alev cephesine yayılabilir: Ateşleme ve ateşleme kaynağının uzaklaştırılmasından sonra, yeterli ısı üretilirse ve polimer bozunma işlemlerini sürdürmek için yeterli ısıyı emebilirse, yanma kendi kendine yayılabilir. Polimer yanma prosesleri, buhar fazı ve yoğun faz reaksiyonlarını içerebilir.
Alev Geciktirici Teorisi
Buhar Fazı Alev İnhibisyonu
Önceden karıştırılmış metan-oksijen alevinin yanma süreci iyi araştırılmıştır. Metan oksijen sistemi, daha karmaşık polimer alevlerini incelemek için bir model olarak kullanılabilir. Metan yanması, esas olarak yayılma, zincir dallanma ve sonlandırma süreçlerinden oluşan bir serbest radikal zincir reaksiyonudur. Bu zincir taşıyan radikallerin konsantrasyonunu azaltan veya sonlandırma hızını artıran herhangi bir alev geciktirici malzeme alev reaksiyonunu engelleyecektir. Bunun, buhar fazı alev inhibitörlerinin kullandığı mekanizmalar olduğu düşünülmektedir.
Yoğun Faz Alev İnhibisyonu
Soğutma ve kömür bariyeri oluşumu, katı faz alev inhibisyonunda iki ana moddur ve bu kısımda önce soğutma modu hakkında bilgi bulunmaktadır. Yoğun faz alev inhibisyonunda kullanılan önemli bir soğutma modu, yanan polimerin piroliz bölgesinde endotermik olarak ayrışan malzemelerin kullanılmasıdır. Örneğin, polivinil alkolün endotermik olarak su molekülleri oluşturma kabiliyeti nedeniyle, polivinil alkol izomerik polietilen oksitten daha az yanıcıdır. Polimer yakma işlemleri sırasında, polimerlere termal olarak iletken dolgu maddeleri eklenerek soğutma modu da elde edilebilir. Dolgu maddeleri, polimerlerinkinden daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Dolgu maddeleri ısıyı polimerlerden daha iyi iletir. Dolgu maddeleri, ısıyı sıcak bölgelerden, doldurulmamış polimerlerden daha verimli bir şekilde uzaklaştırır.
Dolgu maddeleri, polimer dolgulu kompozitlerin yanmasını zorlaştırır. Bununla birlikte, sınırlı kullanıma yol açabilecek iyi soğutma etkisi için yüksek hacimli fraksiyon yüklemelerinde dolgu maddelerine ihtiyaç vardır. Damlama başka bir soğutma mekanizmasıdır. Yanma işlemleri sırasında kolayca damlayan polimerlerin yanması daha zordur. Örneğin, normal bir mum, yüksek damlama eğilimi nedeniyle fitil olmadan yanmaz. Bunun nedeni, ısının yanan alanlardan dağılmasıdır. Ancak damlama, yangının yayılmasına ve dolayısıyla sınırlı kullanıma yol açarak bir tehlike oluşturabilir.
Yüksek Alev Geciktiricili Termal Olarak Yalıtkan Polimerler
Yüksek alev geciktiriciliğe sahip, termal olarak yalıtkan polimer bazlı malzemeler büyük ilgi görmektedir. Bunun nedeni, termal olarak yalıtkan malzemelerin aşırı ısınma hasarını yanık yaralanmalarından koruyabilmesi ve hayat kurtarabilmesidir. Mevcut yangına dayanıklı polimerler için dezavantajlar vardır, mesela bazı alev geciktirici polimerler pahalı olabilir. Bazı alev geciktirici polimerler nispeten düşük bozunma sıcaklıklarına sahiptir ve 400°C civarında bozunur. Bu nedenle, gelişmiş termal yönetim uygulamaları için yüksek düzeyde termal olarak yalıtkan, termal olarak kararlı ve alev geciktirici polimer bazlı malzemeler arzu edilir.
Alev geciktirici ve termal olarak yalıtkan polimer bazlı kompozitler geliştirilmiştir Örneğin, PC-PDMS kopolimerleri alev geciktirici davranışlara sahiptir. Kömürler daha uçucu yakıt üretimini önleyebilir ve sıcaklığın yükselmesini önleyen bir termal yalıtkan görevi görebilir. Bir PC-PDMS örneği yanma halindeyken çok sayıda ince kabarcık ve kömür oluşmuştur. Bu ince kabarcıklar ısı yalıtımı için iyidir, ayrıca, PDMS’nin termal bozunmasıyla üretilen in situ silika parçacıkları çoğunlukla kömür katmanlarında kalır ve bu da oksidasyona dirençli kömür kaplamalarının miktarını arttırır. Kömür tabakasında ortaya çıkan kabarcık yapıları ve silika malzemeleri, etkili bir ısı yalıtkanı görevi gören uçucu ve yanıcı yakıt üretimini engellemiştir. 
Alev geciktirici ve termal olarak yalıtkan polimer bazlı malzemelerin geliştirilmesinde ilerlemeler olmasına rağmen, alev geciktirici ve ısıl yalıtım mekanizmalarının daha iyi anlaşılması, olağanüstü performansa sahip yeni nesil termal olarak yalıtkan ve alev geciktirici polimerlerin yaratılmasında kilit rol oynayacaktır. Basit üretim süreci, düşük maliyet, mükemmel ısı yalıtımı, alev geciktirme, üstün fiziksel ve mekanik özellikler gibi benzersiz birleşik özelliklerle, termal olarak yalıtkan ve alev geciktirici polimerler, mevcut ve öngörülemeyen uygulamalar için yeni fırsatlar sağlayacaktır.
Kritik Tartışma ve Görünüm
Polimerlerin yüksek performanslı alev geciktiriciliğini elde etmek için farklı stratejiler geliştirilmiştir. Bu seçilmiş stratejiler oksijen kaynağını seyrelten yanıcı veya uçucu olmayan ürünler üretmek için polimerlerin piroliz reaksiyon şemasını değiştirerek çıkarılmıştır;
• Yanıcı gazların seyreltilmesi veya oksijen beslemesini baskılayan bir kömür oluşumu yoluyla yanmayı durdurarak
• Hem gaz fazında hem de/veya yoğun fazda aktif radikal yakalama etkileri sağlayarak,
• Isı transferini sınırlamak için malzemenin termal iletkenliğini azaltarak,
Halojenlere, ağır fosfor-organik bileşiklere ve/veya geçiş metallerine dayalı polimerlerdeki farklı alev geciktirici türleri, iyi alev geciktirme performansı göstermiştir. Ancak yanma işlemleri sırasında zehirli gazlar ve duman. Polimerlerdeki alev geciktiricilerin çevresel güvenliği önemli bir konudur. Ateşe dayanıklı polimer esaslı malzemelerin tutuşmaya karşı yüksek direnç, düşük yanma hızı, düşük yanıcılık tutma, özellikler ve görünüm olarak kabul edilebilirlik, sağlık güvenliği ve çevre sorunlarının olmaması ve çok az (veya hiç) ekonomik yaptırıma sahip olmaması arzu edilir.
Kaynakça:
https://www.mdpi.com/journal/polymers/special_issues/Thermal_Insulating_Fire_Resistant_Polymer
https://www.google.com/aclk?sa=l&ai=DChcSEwiUkNOcvf_yAhWI0rIKHfesDSwYABAHGgJscg&ae=2& https://www.hindawi.com/journals/ijps/2021/5555916/
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu