آتش‌سوزی چند سازه ‌های چوب پلاست

آتش‌سوزی چند سازه ‌های چوب پلاست معیار مهمی می باشد. معیار پذیرش برای تخته‌های چوب پلاست و اجرای سیستم‌‎های نرده‎کشی یا جان پناه (ICC-ES^,AC174، جولای 2006) براساس آیین‎نامه ASTM D7032 هستند و تعیین رده‎بندی انتشار شعله که بر اساس آیین‌نامه ASTME84 آزمایش می شوند، نباید بیشتر از 200 باشد.

کدهای ساختمانی یا کدهای آتش‎سوزی با توجه به خواص ماده بر مبنای سه مشخصه اساسی هستند:

• قابلیت سوختن،

• انتشار شعله

• دوام آتش سوزی.

چوب و اغلب چندسازه‎ های پلی‎مرهای گرمانرم موادی سوختنی می‎باشند. برای قانونمند کردن، مواد بر اساس شاخص انتشار شعله خود (FSI) دسته‎بندی می‎شوند. مواد بر اساس آیین‎نامه ASTM E 84 به صورت پانل‎های مونتاژ شده با طول cm72 و پهنای cm51 آزمایش می‎شوند. این پانل‎ در بالای یک بخاری تونلی با طول cm75 قرار می‎گیرد. از این رو آزمون ASTM E 84 را گاهی اوقات «آزمون تونل 75 سانتی‎متری» می‎نامند. این پانل در یک انتها شعله‎ور می‎شود و تحت شرایط معین می‎سوزد. انتشار جبهه شعله در امتداد پانل بر حسب زمان ثبت می‎شود. FSI مربوط به آن با این داده‎ها و استفاده از فرمول مربوطه محاسبه می‎شود. به عبارت دیگر، FSI مقدار کلی سرعت انتشار شعله در جهت معین جریان هوا می‏باشد. برای تعیین مبنا، FSI برای سطح تخته سیمان مسلح (غیرآلی) صفر و برای سطح تخته از درجه منتخب بلوط به‏طور دلخواه تحت شرایط مقرر (ASTM E 84، بخش 9-2) 100 در نظر گرفته می‎شود.

چهار گروه یا کلاس مقدماتی برای FSI وجود دارند: گروه A با FSI بین صفر و 25، گروه B با FSI بین 26 و 75 و گروه C با FSI بین 76 و 200 و گروه‏ زیر C با FSI بالای 200 (مواد دسته‎بندی نشده). گروه‏های AوBوC را گاهی کلاس‎های I،II،III می‎نامند.

در همین آزمون تونل cm75، شاخص توسعه دود (SDI) نیز قابل تعیین است. اندازه‏گیری دود بر مبنای درصد کاهش عبور نور از طریق جریان خروجی تونل است و توسط یک فتوسل نمایش داده می‏شود و سپس داده‏های به‏دست آمده به SDI تبدیل می‏شود که برای کف‏پوش از سرخ بلوط 100 در نظر گرفته شده است. AC 174  هیچ SDI مشخصی را مانند لازمه‏های کد تصریح نکرده است، اما در صنعت به‏طور کلی SDI بالای 450 خطرناک تلقي می‏شود، که این امر بویژه در پرداخت‏های داخلی قابل پذیرش نیست.

اشتعال چوب

FSI برای گونه‏های معمولی چوب بین 100 و 200 است، که در بعضی موارد ویژه FSI حدود 70-60 است. برای سوزاندن، چوب باید در معرض گرما و اکسیژن یا هوا قرار گیرد. سوختن در مراحل زیر اتفاق می‏افتد: تجزیه حرارتی با ایجاد مواد فرار و آزاد شدن گرما، اشتعال مواد فرار آتش‏گیر، برخاستن شعله، انتشار شعله با ایجاد دود و گازهای سمی و ذغال شدن. هرمرحله بسته به دانسیته، مرفولوژی و ترکیب (مقدار لیگنین و …)، سرعت حرارت‏دهی، دما و رطوبت چوب و میزان تهویه هوا به‏طور متفاوتی پیشروی می‏کند.

به‏طورکلی، مراحل مشابهی در سوختن چوب پلاست ها روی می‏دهد. اما در چندسازه‏ها تغییرات بسیار زیادی در ترکیب شیمیایی، دانسیته، طبیعت پلاستیک‏ها، مقدار پلاستیک، مقدار پرکننده‏ها و غیره ایجاد می‏شود.

آتش‌سوزی چند سازه ‌های چوب پلاست

مواد چندسازه چوب پلاست و هم‏چنین پلاستیک‏ها به ‏ خودی خود مشتعل نمی‏شوند. اشتعال زمانی روی می‏دهد که مادۀ آتش‏گیر در هوای دارای مقدار کافی اکسیژن، به دمای مشخصی برسد. اشتعال می‏تواند پیلوت باشد، یعنی در مجاورت یا نزدیکی شعله‏ای (یا یک منبع اشتعال دیگر) انجام شود و یا پیلوت نباشد، یعنی در بخاری با دمایی برابر یا بیشتر از نقطه اشتعال صورت گیرد.

اگر قطعه‏ای (یا پلت، ورق، لایۀ نازک، و غیره) از HDPE را در دمای محیط داخل اونی قرار دهید، در اون را ببندید، دما را با مقدار بالا (فرض Cْ600) تنظیم کنید، و آن را رها کنید، در دمای مشخصی از داخل اون صدای پپ به‏گوش می‏رسد. با بازکردن در خواهید دید که نمونه مشتعل شده است. نمونه برای مشتعل شدن مراحلی را طی می‏کند که شامل ذوب شدن پلاستیک، اندکی تجزیه حرارتی که سبب ایجاد مواد فرار می‏شود که برخی از آن‏ها آتش گیرند، و سرانجام در دمایی این مواد فرار و خود نمونه به نقطه اشتعال خواهند رسید. برای پلی‏اتیلن این دما حدود Cْ367-360 است، که به اندازه نمونه بستگی دارد.

نقطۀ اشتعال HDPE پر شده یا چندسازه‏های HDPE پایه به تقریب مشابه خود HDPE خواهد بود، به شرطی که حاوی کند سوزکننده‏های فعال نباشد. در حقیقت، HDPE پرشده یا پرنشده ذوب شده و مواد فرار آلی آتش‏گیر منتشر می‏کند که در دمای مشخصی نزدیک نقطۀ اشعال HDPE خالص، مشتعل می‏شود. اختلاف نقطۀ اشتعال در آن‏ها به‏طور عمده به‏مقدار HDPE در ماده و اندازه نمونه بستگی دارد.

HDPE پرشده با کندسوزکنندة ATH (آلومینیوم تری‏هیدرات) دمای اشتعال Cْ445 دارد. با ATH دمای اشتعال Cْ10 افزایش یافت (تأخیر پیدا کرد). و در دمای Cْ240-180 بخار آب آزاد کرده که به نوبه خود ماده را خنک می‏کند. چوب پلاست های HDPE پایه همه نقطۀ اشتعال مشابهی دارند.

با افزایش شار حرارتی، زمان اشتعال کاهش می‏یابد و چه‏قدر دانسیتۀ مواد نیز بر زمان اشتعال مؤثر است. هرچه دانسیتۀ (جرم ویژه) مواد کم‏تر باشد دمای اشتعال سطح کم‏تر است. رطوبت مواد نیز بسیار مهم است.

وقتی ماده حاوی مقداری کندسوزکننده مانند ATH باشد نقطۀ اشتعال آن اغلب تغییر کرده و بیشتر می‏شود. ATH در دمای مشخصی آب آزاد می‏کند. آب ماده را خنک کرده و زمان اشتعال را افزایش داده و هم‏چنین گرمای ایجاد شده توسط مادۀ درحال سوختن را کاهش داده و در نتیجه شعله را فرو می‏نشاند.

شاخص‏های انتشار شعله و رده ‏بندی آتش‌سوزی چند سازه ‌های چوب پلاست

به‏‎ طورکلی FSI نشان می‏دهد كه ماده‏ با چه سرعتي در امتداد پانل‏ آزمونی مي‌سوزد و تحت شرایط گرمادهی توسط جبهه شعله و جریان هوای کنترل شده به دمای نقطه اشتعال می‏رسد. FSI به‏شدت به‏ هدایت حرارتی، ظرفیت حرارتی ماده، ضخامت، شکل پانل (توپر یا توخالی)، مقدار پرکننده معدنی (اگر داشته باشد)، مقدار کندسوزکننده‏ها (اگر داشته باشد) و غیره بستگی دارد.

اثر پرکننده‏های معدنی بر شعله ‏پذیری چند سازه ‌های چوب پلاست

تعدادی از پرکننده‏ های بی‏اثر مانند کربنات کلسیم، تالک، خاک رس، الیاف سلولزی، پشم شیشه و غیره، فقط با کاهش تغذیه برای انتشار آتش، یا تولید آهستۀ حرارت، ذغال‏شدگی و غیره می‏توانند انتشار شعله را کاهش دهند، اما دمای اشتعال را به‏طور چشم‏گیری تغییر نمی‏دهند. این‏ها مانند یک کندسوز کنندۀ فعال که مولد مواد مقابله کننده با شعله یا اشتعال مانند آب یا گازهای نسوز هستند، عمل نمی‏کنند. کارشان رقیق کردن سوخت در فاز جامد (پلاستیک) می‏باشد. کربنات کلسیم در دمای حدود Cْ900 گازهای بی‏اثری (دی‏اکسیدکربن) تولید می‏کند و این دما به‏قدری بالاست که از کربنات کلسیم نمی‏توان به‏عنوان کندسوزکننده استفاده کرد.

کندسوزکننده‏ها برای پلاستیک‏ها و مواد چندسازه چوب پلاست

کندسوزکننده‏ها برای پلاستیک‏ها و مواد چندسازۀ چوب پلاست به‏طور کامل با کندسوزکننده‏های مواد چوبی متفاوتند. چوب با محلولی از کندسوزکننده‏ها، به‏طور معمول نمک‏هایی مانند مونوآمونیوم و دی‏آمونیوم فسفات، سولفات آمونیوم، کلرید روی، تترابورات سدیم، بوریک اسید، فسفات گوانیل اوره، اشباع می‏شود. اما در پلاستیک‏ها و چوب پلاستها، کندسوزکننده‏ها به‏صورت جامد مستقیم به فرمول‏بندی‏شان افزوده می‏شود. ازاین‏رو کندسوزکننده‏های پلاستیک‏ها و چوب پلاستها باید مقاوم به دما باشند تا طی فرآوری تجزیه نشوند.

چندسازه‏های PVC پایه، برخلاف چندسازه‏های با پلی‏مرهای گرمانرم دیگر، مواد کندسوزکنندۀ طبیعی هستند.

به‏طورکلی در همۀ پلاستیک‏ها در مواردی که برای عملکرد و کاربردهای ویژۀ آن‏ها لازم است، کندسوزکننده به‏کار می‏رود. در زیر خلاصه‏ای از کندسوزکننده‏هایی که اغلب در پلاستیک‏ها به‏کار می‏روند ارائه شده است.

* PE و PP                   ATH (تقریباً 10 برابر بیشتر از FR ثانویه، ترکیبات کلردار)

* PVC                ATH (دو برابر بیشتر از FR ثانویه، ترکیبات ارگانوفسفر، بدون هالوژن)

* ABS                ترکیبات برم‏دار و اكسيدهاي آنتيموان

مصرف هیدروکسید منیزیم در مقایسه با ATH به‏عنوان کندسوزکننده از نظر حجمی 20-15 برابر و از نظر قیمت دلاری 10 برابر کم‏تر است

تعدادی از پرکنندۀ بی‏اثر مانند کربنات کلسیم، تالک، خاک رس، پشم شیشه و غیره، فقط با کاهش تغذیه برای انتشار شعله یا تولید آهستۀ حرارت، ذغال‏شدگی و غيره به‏عنوان یک کندسوزکنندۀ غیرفعال عمل می‏کنند، اما این‏ها به‏طور تأثیرگذاری نقطۀ اشتعال را تغییر نمی‏دهند.

کندسوزکننده‏های فعال با چندین مکانیزم از سوختن جلوگیری می‏کنند یا آن را فرو می‏نشانند، که به‏طور مختصر در بالا تشریح شده است.

* با آزاد کردن آب (ATH یا به‏عبارت دیگر آلومینیوم تری‏هیدرات، ₃(Al (OH، هیدروکسید منیزیم ₂(Mg(OH)، که به‏عنوان فرونشاننده حرارت عمل می‏کنند و از رسیدن اکسیژن به ترکیبات آتش‏گیر جلوگیری می‏کند، یا با تشکیل یک لایه محافظ و با رقیق کردن و اندود کردن عمل می‏کند.

* با تشکیل گازهای نسوز برای فرونشاندن شعله، ایجاد مانع از رسیدن اکسیژن به مادۀ آتش‏‏گیر و عایق کردن آن مانند کندسوزکننده‏های هالوژن‏دار. کندسوزکننده‏های برم‏دار شده رادیکال‏های آزاد را در حالت گازی از بین می‏برند و با کاهش تولید گرما و با تولید گازهای نسوز به‏جلوگیری یا کاهش فرآیند سوختن منجر می‏شوند. کندسوزکننده‏های برم‏دار %32 از کندسوزکننده‏ها را تشکیل می‏دهند، علاوه بر آن %6 از کندسوزکننده‏ها کلردار هستند.

کندسوزکننده‏های هالوژن‏دار به استرهای ارگانو فسفات هالوژن‏دار و استرهای آلی هالوژن دار تقسیم می شوند.

* با عمل تشکیل ذغال، مانند کندسوزکننده‌های فسفردار. آن‌ها هم به استرهای ارگانو فسفات غیرهالوژن‌دار آمونیوم پلی‏فسفات و بقیه تقسیم می‏شوند. وقتی که گرم می‏شوند اسید فسفوریک جامد تولید می‏کنند که به نوبۀ خود ماده را ذغال می‏کند و آن را از آزاد کردن گازهای آتش‏گیر تغذیه شعله باز می‏دارد. کندسوزکننده‏های فسفردار حدود %20 از کندسوزکننده‏های صنعتی را شامل می‏شوند (به‏طور عمده نه با پلی اولفین‏ها). ترکیبات بورون هم تشکیل دهندۀ ذغال هستند.

بعضی از ترکیبات غیرآلی مانند تري اكسيد آنتيموان (₃O₂Sb)، یا ترکیبات بورون پایه مانند بورات روی، در مقایسه با کندسوزکننده‏های مستقیم به‏صورت عامل اشتراکی عمل می‏کنند و کارآیی آن را بیشتر می‏کند. تري اكسيد آنتيموان اغلب با کندسوزکننده‏های هالوژن‏دار به‏کار می‏رود.

کندسوزکننده ‏ها در چندسازه ‏های چوب پلاست

دکابرم و اكسيد آنتيموان به‏عنوان کندسوزکننده با چندسازه‏های HDPE پایه آزمون شده­اند. مقدار 12 تا %30-20 دکابرم با یا بدون اكسيد آنتيموان (%5/3-5/2) از سوختن چندسازه جلوگیری کرده است. %10 دکابرم از سوختن جلوگیری نکرد، اما با حضور %10-5/2 اكسيد آنتيموان  به‏طور پیوسته شعله را خاموش کرد. اكسيد آنتيموان به‏تنهایی به‏مقدار %20 و هم‏چنین %3 ویترولیت به‏طور قابل ملاحظه‏ای بر سوختن اثر نداشت.

ذرات نانو به ‏عنوان کندسوزکننده ‏ها در چوب پلاست

اخیراً اثرات کندسوزکنندگی ذرات نانوی رس روی شعله‏پذیری چوب پلاست ‏ها به‏ویژه با حضور عوامل جفت کننده، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. کندسوزکننده‏های معمولی به‏میزان %60-40 وزنی یا حتی بیشتر به‏ماده اضافه می‏شوند. با پرکننده‏های نانو بدون شک از این عیب کندسوزکننده‏های معمولی اجتناب می‏شود.

چندسازه ‏های چوب پلاست با ذرات دسته‌ای و پراکنده هر دو دارای %5-3 وزنی ذرات نانو هستند، که بدون شک مقاومت به آتش بهتر یا قابل ملاحظه‏ای در مقایسه با پلاستیک‏های پرشده با بیش از %50-30 کندسوزکننده‏های معمولی ایجاد می‏کنند. روش دیگر برای افزایش کندسوزکنندگی ترکیب ATH یا هیدروکسید منیزیم با رس آلی است. گزارش شده است که رس آلی و بعضی کندسوزکننده‏های قدیمی مانند ترکیبات برم‏دار بین آن‏ها به‏صورت اشتراکی عمل می‏کند.

(ابراهیمی، ق. رستم­پور، ا. 1389. در ترجمه چندسازۀ چوب و پلاستیک. آناتول آ، کلیوسوف. تهران. دانشگاه تهران. موسسه انتشارات. 886 صفحه.)