شماره ركورد
30614
پديد آورنده
ليلا تقي اكبري
عنوان
بهبود عملكرد ترموپلاستيك الاستومر بر پايه پلييورتان (TPU) در برابر آتش و بررسي اثر كندسوزكنندهها بر خواص حرارتي، فيزيكي و مكانيكي TPU
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (PhD)
رشته تحصيلي
شيمي- شيمي آلي
سال تحصيل
1396
تاريخ دفاع
1402/11/24
استاد راهنما
محمدرضا نعيمي جمال
استاد مشاور
شروين احمدي
دانشكده
شيمي
چكيده
ترموپلاستيك پلييورتان (TPU)، يك پلاستيك مهندسي كارآمد در صنايع مختلف با خواص عالي مانند مقاومت در برابر سايش، مقاومت در برابر زمانمندي، مقاومت شيميايي، استحكام كششي و فرايندپذيري خوب است؛ ولي، اشتعالپذيري بالاي آن با توليد مقادير زياد گرما، دود و گازهاي سمي و شره كردن قطرات مذاب حين سوختن، كاربردهاي متعدد آن را محدود ميكند. از اينرو، بهبود عملكرد TPU در برابر آتش با استفاده از مواد كندسوزكننده، ضمن حفظ ويژگي¬هاي خوب آن، يكي از موضوعات تحقيقاتي، بهويژه در دو دهه اخير است. پژوهشهاي پيشين، كارايي بالاي كندسوزكنندههاي گرماتورمي (IFR) حاوي فسفر را در TPU تأييد كرده است. با وجود اين، بيان شده كه نياز به بارگذاري بالاي IFR براي دستيابي به كندسوزكنندگي خوب، ممكن است سبب افت كارايي كندسوزكننده و يا افت خواص حرارتي- مكانيكي شود. به علاوه، تهيه TPU كندسوزشده با گرما و دود سمي كاهشيافته حين سوختن و بهطور همزمان، بدون چكهكردن قطرات مذاب، ضمن حفظ خواص حرارتي- مكانيكي، همچنان موضوعي چالشبرانگيز در زمينه ايمني در برابر آتش TPU است. از طرفي، تهيه برخي از تركيبات كندسوزكننده، مستلزم فرآيندي پيچيده و پرهزينه است. بنابر موارد بالا، در اين پژوهش، با هدف رسيدن به خواص كندسوزكنندگي عالي، فرونشاني انتشار دود و گازهاي سمي و همزمان با آن، كاهش شره كردن قطرات مذاب حين سوختن TPU، در مرحله اول، نمونه¬هاي كامپوزيت TPU، به روش آميزه مذاب، با افزودن يك سيستم IFR سهجزئي، شامل آمونيم پليفسفات (APP)، ملامينپليفسفات (MPP)، و پنتااريتريتول (PER) با درصدهاي مختلف اجزا، تهيه و براي دستيابي به بالاترين كارايي كندسوزكنندگي، عملكرد آنها در برابر آتش با استفاده از آزمونهاي اشتعالپذيري و گرماسنج مخروطي ارزيابي شد. در مرحله دوم، نانوكامپوزيتهاي TPU با افزودن سه نوع نانوساختار شامل نانوسيليس، گرافن و موليبدن ديسولفيد با مقادير بسيار كم (حداكثر تا 1% وزني) به كامپوزيتهاي TPU/IFR، تهيه و عملكرد آن¬ها در برابر آتش به منظور بررسي اثر همافزايي نانوساختارها و IFR بر خواص واكنش در برابر آتش TPU ارزيابي شد. در ادامه، تأثير اين كندسوزكننده¬ها بر روي پايداري حرارتي (با آناليز گرما-وزنسنجي) و مكانيكي (سختي و خواص كششي) TPU بررسي شد. براي تعيين مكانيسم احتمالي كندسوزكنندگي، ساختار زغال پس از سوختن و تركيب عنصري آن با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني (SEM) و آناليز عنصري EDS بررسي شد. نتايج حاصل نشان داد سيستم IFR بهكار رفته، علاوه بر كارايي بالاي كندسوزكنندگي، در فرونشاني دود و گاز سمي، افزايش بازده زغال و بهبود پايداري حرارتي نيز عالي عمل كرد و با ايجاد ساختار زغال منبسط، شرهكردن مذاب كمتر شد. نانومواد افزودني، همافزايي خوبي در كنار IFR نشان دادند و علاوه بر خواص كندسوزكنندگي خوب، باعث فرونشاني عالي دود و گاز سمي، بهبود فشردگي لايه زغالي، به عنوان لايه محافظ مؤثر در جلوگيري از نفوذ اكسيژن و گرما به پليمر زيرين، كندكردن چكهكردن مذاب و حتي توقف آن و افزايش پايداري حرارتي شدند. بهعلاوه، بر اساس نتايج آناليز EDS، فرآيند كندسوزكنندگي در اغلب كامپوزيتهاي TPU از طريق فاز چگال (متراكم) صورت ميگيرد ولي در نانوكامپوزيت TPU/IFR/0.5%Graphene، با هر دو مكانيسم فاز گازي و چگال پيش ميرود. اثر كندسوزكنندهها بر خواص مكانيكي كامپوزيتهاي TPU، متفاوت بود و در برخي از نانوكامپوزيتها، سبب افزايش شكلپذيري و انعطافپذيري نسبت به TPU اوليه شد. فرمولاسيون سيستم IFR بهكاررفته و همافزايي نانوساختارهاي نامبرده، كه باعث بهبود عملكرد TPU در برابر آتش شد، تا پيش از اين كار، مطالعه نشده بود. دستاوردهاي اين پژوهش، ميتواند به عنوان مرجعي مفيد براي توليد كامپوزيتهاي TPU كندسوزشده با هدف افزايش ايمني در برابر آتش و گسترش كاربردهاي TPU باشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1402/12/22
عنوان به انگليسي
Improving the Fire performance of Thermoplastic Polyurethane (TPU) and Investigating the Effects of Flame Retardants on Thermal and Mechanical Properties of TPU
تاريخ بهره برداري
2/12/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ليلا تقي اكبري
چكيده به لاتين
Thermoplastic Polyurethane (TPU) is an efficient engineering plastic in various industries with excellent properties, such as abrasion resistance, aging and chemical resistance, high tensile strength, high compressive resistance, and good processability. However, its high flammblity with producing large amounts of heat, smoke and toxic gases and high melt dripping during combustion, limits its many applications. Therefore, improving the fire performance of TPU by flame retardants, while maintaining its good properties, is one of the research topics especially in the last two decades. Previous studies have confirmed the high efficiency of phosphorus-containing intumescent flame retardants (IFR) in TPU. Despite this, it has been stated that high loadings of IFR needed to achieve good flame retardancy, can decrease the flame retardant efficiency or thermo-mechanical properties. In addition, the preparation of flame retardant TPU with reduced heat and toxic smoke during combustion and simultaneously anti-dripping, while maintaining thermo-mechanical properties, remains a challenge in the field of fire safety of TPU. On the other hand, some flame retardant materials require complex and expensive synthesis methods. According to the above, in this research, with the aim of achieving excellent flame retardant properties, suppressing the smoke-toxicity, and anti-dripping during TPU burning, in the first stage, TPU composites, by adding three-component IFR system, including ammonium polyphosphate (APP), melamine polyphosphate (MPP), and pentaerythritol (PER) with different components ratios were prepared by melt mixing and their fire performance was evaluated by flammability and cone calorimeter tests to achieve the highest flame retardant efficiency. In the second step, TPU nanocomposites were prepared by adding three nanostructures, namely nanosilica, graphene and molybdenum disulfide in very low loadings (up to 1 wt.%) to the TPU/IFR composites, and their fire performance was evaluated to investigating the synergistic effects of IFR/Nanoadditives on the fire reaction properties of TPU. The influence of these flame retardants on the thermal stability and mechanical properties of TPU were analyzed. In order to predict the flame retardancy mechanism, the structure of the char after combustion and elemental analysis were investigated using a scanning electron microscope (SEM) and EDS. The results showed that the used IFR system, in addition to the high flame retardant efficiency, showed excellent smoke and toxic gas suppression, retarded dripping and improved thermal stability, by creating an intumescent char. Adding nanomaterial showed a good synergy with the IFR and efficient flame retardancy. Besides, excellent smoke-toxicity suppression and anti-dripping were achieved by the compact char formation as an effective protective layer to prevent the heat and oxygen penetration into the underlying polymer. According to the EDS analysis, the flame retardant mechanism in most TPU composites primarily took place in the condensed phase. However, in the case of TPU/IFR/0.5%Graphene, it occurred in both the gas and condensed phases. The flame retardants had varying effects on the mechanical properties of TPU composites, with certain nanocomposites showing an increase in ductility compared to the neat TPU. The employed IFR system and the nanostructures mentioned in this study, which improved the fire performance of TPU, had not been investigated before. These findings can serve as a useful reference for the development of flame retardant TPU composites, aiming to enhancing the fire safety of TPU and broadening its applications.
كليدواژه هاي فارسي
،عملكرد در برابر آتش , ترموپلاستيك پلييورتان , كندسوزكننده گرما تورمي , نانوساختار , گرماسنج مخروطي , رهايش گرما و دود , خواص مكانيكي
كليدواژه هاي لاتين
Fire performance , Thermoplastic Polyurethane , Intumescent Flame Retardant , Nanostructure , Cone calorimeter , Heat and smoke release , Mechanical properties
Author
Leila Taghi-Akbari
SuperVisor
Mohammad Reza Naimi-Jamal