Anyagismeret a gyakorlatban

Átírás

1 Égési tulajdonságok Elméleti áttekintés: A gyakorlat célja a polimerek égési tulajdonságainak megismerése és az adott anyagra jellemző égési folyamat ismeretében ismeretlen anyagú termékek esetén azok alapanyagának meghatározása. Az égés reakciójához szükséges egy éghető anyag, valamint valamilyen oxidálószer, például a levegő. Az égés folyamatához szükséges még a megfelelő hőmérséklet elérése, jellemzően ezt egy külső hőforrás biztosítja. A megfelelő hőmérséklet hatására a polimerben megindul a kémiai kötések felbomlása, elkezdődik a termikus degradáció, és illékony frakciók jönnek létre. Ezek a frakciók kerülnek a levegőbe és az így létrejövő gáznemű elegy gyulladhat be, ha hőmérséklete eléri az anyagra jellemző öngyulladási hőmérsékletet (a reakció aktivációs energiájának hőmérséklete). A gázelegy alacsonyabb hőmérsékleten is meggyulladhat, amennyiben egy külső intenzív hőforrással érintkezik (szikra láng stb.), ezt nevezzük lobbanáspontnak. A gázfázisban különféle gyökös kémiai reakciók mennek végbe. Az égés során exoterm oxidációs folyamat zajlik le, és amennyiben e során megfelelő nagyságú a hőfejlődés, az égés önfenntartóvá válhat. Ebben az esetben a külső hőforrás eltávolítását követően is folytatódik a reakció, és kialakul az égés körfolyamata. Az égés során a polimer és gázfázis közötti anyag és hőtranszport egyszerűsített folyamata az 1. ábrán követhető nyomon. 1. ábra: Égés során fellépő anyag és hőtranszport [3] Az égés teljes folyamata igen összetett, több különböző reakció megy végbe a szilárd-, a gáz- és a határfázisban. Polimerekben a gyulladáshoz szükséges energia az anyag fizikai 2015/16. tavasz Polimerek égési tulajdonságai 1/5

2 jellemzőinek függvényében változik. Egy polimer hőbomlása (pl. a kovalens kötések felszakadása) endoterm reakció, amely hőbevitelt igényel. A rendszerrel közölt energiának magasabbnak kell lennie, mint a kovalens kötésekben tárolt kötési energia ( kj/mol a legtöbb heterogén szénvázú polimernél). A polimer égését a következő paraméterek befolyásolják: 1. kémiai felépítés, molekuláris szerkezet 2. adalékanyagok, töltő anyagok, erősítőanyagok 3. az égés során jelenlévő atmoszféra összetétele 4. Anyag nedvesség tartalma Ha a tökéletes égés menne végbe, akkor az 1.1-es összefüggés alapján csak széndioxid és víz szabadulna fel a folyamat során, hiszen a polimerek többnyire szénből és hidrogénből épülnek fel. Azonban a lánggal történő égés közel sem tökéletes folyamat hatékonysága többnyire 50% és 95% között mozog. Ilyenkor az égés során szénmonoxid, korom és salak is megjelenik, valamint a különböző egyéb alkotó atomokból különböző vegyületek jönnek létre. C c H h O m N n X x + (c + h x 2m ) O 4 2 cco 2 + h x H 2 2O + n N xhx (1.1) A salak és korom képződése az égés során és a hőtranszport folyamatára jelentős hatással van, jellemzően ez a folyamat hőelvonással jár, tehát csökkenti a hőkibocsátást, valamint a salak jelenléte az éghető anyag elszigetelését segíti az égő közegtől, ezzel nehezítve és gátolva az égés folyamatát (2. ábra). Az is megfigyelhető hogy a legnagyobb hőkibocsátással a tömegpolimerek rendelkeznek. A polimerek jó éghetősége számos veszélyt tartogat azonban bizonyos esetekben előnnyel is jár, például ennek a jó éghetőségnek köszönhető, hogy hulladékégető üzemek működhetnek, hiszen a polimer a hulladék fűtőértékét növeli. 2015/16. tavasz Polimerek égési tulajdonságai 2/5

3 2. ábra: Hőkibocsátás az elszenesedett maradék arány függvényében [2] Az égéshez az éghető anyag mellett oxidálószerre is szükség van. A legtöbb esetben ezt a szerepet a levegő tölti be. A levegő oxigén tartalma átlagosan körülbelül 21 térfogat%, ez az oxigén mennyiség általában elégséges a polimerek égéséhez azonban ismerünk olyan anyagokat melyek égése több oxigént igénnyel. Ezért bevezették az úgy nevezett oxigén indexet (Limiting Oxigen Index, LOI), amely megmutatja, hogy gyújtóláng hatására milyen oxigénnitrogén elegyben gyullad meg a polimer és ég tovább. Az oxigén index tehát megmutatja azt is, hogy mindennapi környezetben az adott polimer meggyújtható-e. Néhány polimer LOI értékét mutatja az 1. táblázat. Polimer LOI (%v/v) Polimer LOI (%v/v) POM 15 PE 21 PP 17 PMMA 24 PA6 17 PC 25 PS 18 PEEK 35 ABS 18 kpvc 45 PET táblázat: Különböző polimerek oxigén indexe [2] Mint már bemutatásra került a tömegműanyagok többnyire jól égnek, ami a szabályozott égési környezeten kívül jelentős biztonságtechnikai problémát is hordoz, például egy lakástűz esetén. A növekvő polimer felhasználásnak köszönhetően a lakástüzek lefolyása felgyorsult, ezzel csökkentve a túlélés esélyét. Ezért a polimerek égésgátlása igen fontos és kutatott téma. Az égésgátlók fizikai vagy kémiai hatással gátolják és lassítják az égést. Fizikai hatás esetén az égésgátlók magas hőmérséklet hatására elbomlanak. A bomlásuk során vízgőz keletkezik, ami hűti az anyagot, esetleg az elbomló anyagokból inert gázok szabadulnak fel, melyek hígítják a gyúlékony gázkeveréket, valamint habosítva az anyagot segítik az éghető anyag elszigetelését. A kémiai hatást kifejtő égésgátlók a bomlás során a szabad gyökök képződését gátolják. A műanyagokhoz használt égésgátlók kémiai összetételük alapján a következő csoportokba sorolhatók: - halogéntartalmú szerves vegyületek, - fém-hidroxidok, - szerves és szervetlen foszforvegyületek, - felhabosodó égésgátlók, - melaminszármazékok, - nanoszerkezetű égésgátlók. 2015/16. tavasz Polimerek égési tulajdonságai 3/5

4 A mérés leírása, elvégzendő feladatok: A gyakorlat során különböző polimerek érzékszerveinkkel észlelhető égési tulajdonságait vizsgáljuk, és a jellegzetességeket feljegyezzük. Összehasonlítjuk az éghető polimereket, valamint vizsgáljuk magas oxigén indexű és égésgátolt polimerek viselkedését. A különféle anyagok égetését a gyakorlatvezető végzi, a diákok figyelik és feljegyzik az anyagok égési tulajdonságait. Az anyagok vizsgálatát követően különböző termékek anyagának vizsgálata következik. [1] F. Laoutid, L. Bonnaud, M. Alexandre, J.-M. Lopez-Cuesta, Ph. Dubois: Materials Science and Engineering R 63, (2009), : New prospects in flame retardant polymer materials:from fundamentals to nanocomposites [2] Polymer Flammability, National Technical Information Service (NTIS), Springfield, Virginia 2005 [3] T. Kashiwagi: Twenty-Fifth Symposium on Combustion, (1994), : Polymer combustion and flammability Role of the Condensed Phase 2015/16. tavasz Polimerek égési tulajdonságai 4/5

5 Polimerek égési tulajdonságai Név: Neptun kód: Dátum: _ 1. Rajzolja fel a láng felépítését és a polimer anyagjellemzőinek változását a felszín közelében. 2. Írja le a polimer égését és a létrejött vegyületeket tökéletes égés esetén. 3. Milyen módon történhet a polimer termikus degradációja? 4. Soroljon fel a polimerek termikus stabilitására és éghetőségére vonatkozó méréseket. 2014/15. tavasz Anyagismeret a gyakorlatban 1/2

6 5. Írja fel polimer égetése során tapasztalt jelenségeket! Név 6. Anyagfelismerés égési tulajdonságok alapján. Termék Anyag Jegyzetek:... Hallgató aláírása: Gyakorlatvezető aláírása: Pontszám: /5 2015/16. tavasz Anyagismeret a gyakorlatban 2/2