Alev geciktirici katkı maddeleri ve etki mekanizmaları

Alev geciktirici katkı maddeleri, ısınma, bozunma, tutuşma veya alev yayılması gibi belli aşamalarda yanma sürecini engellemek icin tasarlanırlar.

Malzemelere yanmazlık özelliğini, iki türde katkı maddesi kullanarak kazandırmak mümkündür (Lomakin, 2003). Bunlar, reaktif ve katkılı alev geciktiricilerdir. Reaktif alev geciktiricilerin yapısında, belli bir dereceye kadar aleve dayanıklı heteroatomlar bulunduğu bilinmektedir ve bunlar kimyasal olarak polimerin yapısına katılmış halde bulunmaktadırlar. Alev geciktirici katkı maddeleri ise; fiziksel olarak polimerlere karıştırılmaktadır. Bu durumda, katılan bileşikler polimerle kimyasal olarak reaksiyona girmemektedir (Ebdon ve Jones, 1995).

Malzemelere üretim esnasında yada sonrasında eklenen kimyasallardır. Bu katkı maddeleri, yapılarına ve bileşimlerine bağlı olarak, katı, sıvı yada buhar fazında kimyasal veya fiziksel olarak veya her iki şekilde etki mekanizmalarına sahiptirler. Bunlar, genelde uygulama formülasyonlarında değişik oranlarda bulunurlar. Kullanılan katkı maddelerinin endotermik reaksiyonları, malzemenin sıcaklığını ve kendiliğinden yanma olayının gerçekleşmesi için gereken sıcaklığın altına düşürerek soğutucu bir etki sağlar. Kondense olmuş yanıcı bölgenin buhar fazıyla teması, gaz veya katı formdaki koruyucu tabaka sayesinde engellenir ve kondense fazın sıcaklığı düşerek açığa çıkan gaz miktarı azalır ve ısı transferi engellenir (Rakotomalala ve ark., 2010). Bu tip fiziksel etkilerin yanında kimyasal etkiler de mevcuttur. Buhar fazı tepkimesi olarak bilinen

kimyasal etki, alev geciktiricinin yanma sürecinin buhar fazındaki serbest radikal mekanizmasını kesintiye uğratması esasına dayanır. Bu şekilde ekzotermik tepkime durur, sistem soğumaya ve yanıcı gaz akışı azalmaya başlar ve bir süre sonra yangın tamamen sona erer. Katı faz tepkimesinde ise iki muhtemel durum sözkonusudur. Birincisinde; eklenen katkı maddesi polimerin bozulmasını hızlandırıp eriyik polimerin alevin etkin olduğu bölgeden uzaklaştırılması, ikincisinde ise; katkı maddesinin dehidrasyon etkisiyle polimer yüzeyinde çifte bağlar oluşturmasıyla karbon tabaka oluşumu sözkonusudur (Bourbigot ve Duquesne, 2007). Kömürleşen karbon tabaka, düşük yoğunluklu ve yoğun gözenekli olması sebebiyle ihtiyaç duyulan iyi bir izolasyon tabakası görevini yerine getirir. Farklı yanıcı ürünlerin oluşumunun engellenmesi, bu yolla sağlanır. Bu kimyasallarla yapılan çalışmalarda toksisite gözönünde bulundurulmalıdır (Levchik ve Weil, 2005a).

Bahsedilen tüm bu etkiler üzerinden yanmayı engelleyen alev geciktirici katkı maddeleri, içerdikleri kimyasallara göre ve hedefledikleri polimer tiplerine göre, halojen esaslı, fosfor esaslı, azot esaslı, silikon esaslı, bor esaslı ve inorganik alev geciktiriciler olmak üzere farklı sınıflara ayrılmaktadır (Horrocks ve Price, 2001). Bunlara ek olarak, günümüzde kullanımı ve araştırmaları artan nano boyuttaki katkı maddelerinin eklenmesi ve bunların başarılı dispersiyonları sayesinde malzemelerin alev geciktiricilik özelliği ciddi ölçüde değiştirilmektedir. Bu çalışmada, fosfor ve azot esaslı alev geciktiricilerle birlikte inorganik alev geciktiriciler ve nano katkı maddeleri kullanıldığından, bu bölümde bu sınıftaki malzemelerden bahsedilecektir.

1.5.1.1. Fosfor esaslı alev geciktirici katkı maddeleri:

Fosfor esaslı alev geciktiriciler, yüzey üzerinde yanmayan bir katman oluşturarak etki gösterirler. Bu katman, polimer yüzeyi üzerindeki yanma bölgesine oksijen transferini engeller ve açığa çıkan ısıyı absorplayarak yanmanın durmasına katkıda bulunurlar. Bu tip katkı maddeleri, çoğunlukla yoğunlaşma fazında yer alan tepkimeleri etkiler. Fosfor esaslı bileşikler, iyi bir alev geciktiricidirler ve düşük toksik gaz emisyonu verirler (Zhang ve Horrocks, 2003). Organik ve anorganik yapıda olan fosfor içerikli bileşiklere; kırmızı fosfor, suda çözünen inorganik fosfatlar, çözünmeyen amonyum polifosfat, organo-fosfatlar, fosfin oksitler, bromoaromatik fosfatlar örnek verilebilir. Fosfor içerikli alev geciktirici katkı maddeleri, eğer halojen veya azot da

içeriyorsa polimerin bozunması esnasında fosfor halojenür, oksihalojenür ve P–N bağı oluşturduğundan sinerjik etki göstermektedirler. Malzemenin yanması sırasında kömürleşen tabakanın intumesan (şişme ve kabarma) özelliği göstermesiyle, bu tür alev geciktirici katkı sistemlerine ilgi artmıştır. Amonyum polifosfat, dipentaeritritol ve melamin kombinasyonu en çok kullanılan intumesan özelliğine sahip alev geciktiricilerdendir.

1.5.1.2. Azot esaslı alev geciktirici katkı maddeleri:

Doğal polimerlerin yapısında bulunan azotun, yanmaya karşı belli bir direnç sağladığını ifade eden bazı araştırmacılar, polimerlere bu amaçla katılan azotun etkisinin çok büyük olmadığını vurgulamışlardır. Yanma mekanizmasındaki etkisi, tam olarak açığa kavuşturulamayan azot esaslı bileşiklerin, fosfor içerikli bileşiklerle biraraya gelerek sinerjik etkisinin çok yüksek olduğu vurgulanmıştır. Bu özelliğinin yanısıra, yanma esnasında uçucu polimer bileşiklerini seyrelterek yanmayı zorlaştırması ve daha az toksik olmasından dolayı çok tercih edilirler. Özellikle melamin ve türevlerine dayanan geliştirilmiş sistemler, intumesan sistemlerde kullanılır (Liang ve ark., 2013).

1.5.1.3. İnorganik alev geciktirici katkı maddeleri:

Bu tür alev geciktirici katkı maddeleri, yapılarında su bulunduran inorganik bileşikler olup, çoğunlukla 150-400°C aralığında etkilidirler. Kolay işlenebilir olmaları, az zehirli olmaları ve düşük maliyetle üretilebilir olmalarından dolayı alev geciktirici katkı maddeleri içerisinde büyük bir öneme sahiptir. Isıya maruz kalınca, bu bileşiklerden ayrılan su molekülleri, soğutma etkisi ile yanmayı durdurur. Endotermik bir reaksiyonla açığa çıkan su, polimerin maruz kalacağı ısıyı emerek malzemenin bozunma hızını düşürmekte ve tutuşma sıcaklığının altında kalmasını sağlamaktadır. Bunun yanında açığa çıkan su, buhar fazındaki yanabilen gaz ürünlerin konsantrasyonunu seyreltmektedir. Soğutma etkisi yapabilecek yeterli suyun sağlanması için fazla miktarda kullanılmaları gereklidir. Bu da malzemelerin mekanik özellikleri üzerinde etkilidir. Yanma esnasında oluşan dumanın miktarını azaltan bu gruptaki bileşiklerin en çok tercih edilenleri, alüminyum hidroksit, magnezyum hidroksittir (Hollingbery ve Hull, 2010).

1.5.1.4. Nanoboyutlu katkılar

Nanoboyutlu katkı maddeleri, polimerler içinde iyi disperse edilebildikleri zaman, polimerlerin alev dayanım özelliklerini artırmaktadır (Stöter, 2012). Sahip oldukları geniş yüzey alanı sebebiyle, polimere eklenecek diğer dolgu maddelerinin miktarını da çok büyük ölçüde azaltırlar. Bir diğer avantajları da düşük erime noktası ve düşük yoğunluğa sahip olmalarıdır. Bu malzemelerin polimerlerin alev dayanım özelliklerine katkısı, tamamen kimyasal yapılarına ve geometrilerine bağlıdır. Daha önce bahsedildiği gibi, nanotabakalara nanokil, nanoliflere karbon nanotüp ve sepiyolit, nanotaneciklere titanyum dioksit ve küresel silika parçacıkları örnek verilebilir.