Műanyagok égésgátlásának alapjai

Sajnos napjainkban még mindig nagy számmal fordulnak elő tűzesetek mindennapi környezetünkben. A műanyagipar rohamos fejlődése és a műanyagból készült tárgyak széles körben történő felhasználása indokolta azt, hogy lehetőségeinkhez mérten a környezetünkben található műanyagok ne legyenek éghetőek, vagy ezt a speciális tulajdonságot megfelelő adalékolással érjük el. Jelen cikkemben röviden szeretném összefoglalni a műanyagok égésgátlásának lehetőségeit.

Az égésről

1. ábra: A tűz, mint évszázadok óta velünk lévő (pusztító) őselem

1. ábra: A tűz, mint évszázadok óta velünk lévő (pusztító) őselem

Az égés definíció szerint nem más, mint olyan fizikai és kémiai folyamatok összessége, melynek során az anyagok oxigénnel egyesülve, kisebb energiájú termékeket hoznak létre. A folyamatot fény- és hőemisszió kíséri, egyes esetekben hanghatások is megfigyelhetőek. Az égés feltételeit már általános iskolában is oktatják: éghető anyag, gyulladási hőmérséklet és oxigén jelenléte. Bármelyik tényező nem kielégítő mennyisége gátolja az égés kialakulását, a folyamat közben való elfogyása pedig az égés lezáródásához vezet.

A polimerek égése

A polimerek esetében az égés folyamatát a 2. ábra szemlélteti. A polimerek megfelelő hőközlés után pirolizálnak, a folyamat során pedig éghető gázok keletkeznek. Ezek a gázok oxigénnel egyesülve elégnek, a keletkező hő pedig az anyag további pirolízisét segíti elő. Az égés önfenntartó jellege attól függ, hogy az égés során keletkező hő elegendő-e a polimerünk további pirolíziséhez; ha igen, az anyagunk tovább ég, ha viszont nem, akkor a polimer önmagában önkioltó tulajdonsággal fog rendelkezni. Az égés általában nem tökéletes, így végeredményben egyéb szilárd melléktermékek is keletkeznek (füst, hamu).

2. ábra: A polimerek égésének mechanizmusa

2. ábra: A polimerek égésének mechanizmusa

A minket körülvevő levegő 21 térfogatszázalék oxigént tartalmaz, mely általában elegendő mennyiség a polimerek égéséhez. Vannak viszont olyan anyagok (köztük polimerek is szép számmal), melyek égéséhez ekkora oxigénkoncentráció nem elegendő. Ebből a gondolatmenetből ered a polimerek éghetőségének egyik mérőszáma, az oxigén index (LOI, Limited Oxigen Index).

A teszt során azt mérjük, hogy az adott polimer, gyújtóláng alkalmazása mellett milyen oxigén-nitrogén elegyben képes meggyulladni, majd tovább égni. A LOI értékébe kicsit belegondolva belátható, hogy eme érték megmutatja számunkra, hogy az adott polimer normál levegőn (mindennapi környezetünkben) meggyújtható-e vagy sem. Például az egyik legnagyobb mennyiségben alkalmazott tömegműanyagunk, a polietilén LOI értéke 17 és 21 között található, tehát típustól függetlenül mindig meggyújtható lesz levegőn. Ezzel szemben például a poliéter-éter-keton (LOI = 35) égése számára a levegő által biztosított normál körülmények nem megfelelőek. A LOI értékének pontos meghatározását, paramétereit több szabvány is leírja, úgymint ASTM D 2863 vagy ISO 4589-2. Általánosan elmondható, hogy a környezetünkben megtalálható polimerek LOI értéke általában 21 alatt található, így ezek megelőzés céljából történő égésgátlása nélkülözhetetlen. Az égésgátlók alkalmazásánál sohasem elsődleges szempont a termékünk alakjának, funkciójának megőrzése, sokkal inkább a tűz továbbterjedésének megakadályozása, az égés további táplálásának kiküszöbölése.

Az égésgátlás

Az égésgátlók első nagy csoportjába azok az anyagok tartoznak, amelyek az égés egyik alapfeltételének megszüntetésére vagy visszaszorítására törekszenek, hisz ezzel a teljes folyamat megszakítható, gátolható. A másik fontos csoportot azok az égésgátlók alkotják, melyek magába az égés bonyolult, gyökös reakciómechanizmusába nyúlnak bele és akadályozzák a lejátszódó folyamatokat. Az égés egyik alappillére az oxigén jelenléte, melynek kiszorítását az égés környezetében lévő gáz, az égésgátlókból felszabaduló nagy mennyiségű inert gázzal történő felhígításával érhetjük el. Magát az éghető anyagot is elválaszthatjuk a rendszertől úgy, hogyha hőterhelés hatására az égésgátló valamilyen szilárd bevonatot képez a határfelületen, ezzel szeparálva a tömbfázist. A harmadik és egyben utolsó alappillérünk a gyulladási hőmérséklet megléte. Egyes égésgátlók átalakulása endoterm folyamat, mely hőt von el a környezetéből, ezáltal az éghető anyagot az égés fenntartásához szükséges hőmérséklet alá hűti.

Szervetlen égésgátlók

Az égésgátlók hatásmechanizmus alapján történő csoportosítását követően nézzük meg a gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott égésgátlókat. A legegyszerűbb, ám talán az egyik legösszetettebb hatásmechanizmussal rendelkező égésgátló vegyületek a szervetlen égésgátlók, melyek leggyakrabban alkalmazott képviselője az alumínium-hidroxid.

Ezt a vegyületet a kívánt hatás elérése érdekében nagy mennyiségben alkalmazzák polimerekben. A hőközlés hatására endoterm folyamatban, vízkilépés közben alumínium-oxid keletkezik. A reakció egyrészt a lejátszódó folyamat miatt hűti a felületet, másrészt a keletkező víz hígítja az égésteret, ezzel tovább gátolva az égést.  Nem szabad elfelejtenünk azt sem, hogy a felületen feldúsuló alumínium-oxid egy passzív védőréteget alkot, mely a korábban említett módon egyúttal gátolja a pirolízis gázok kijutását és a befelé irányuló hőtranszportot. Ezen vegyületek egyik legfőbb hátránya, hogy a kívánt hatás elérése érdekében alkalmazott nagy mennyiség a polimerek mechanikai tulajdonságának romlásához vezethet.

A másik legfontosabb vegyületcsoport a halogéntartalmú égésgátlók, melyek elsődlegesen az égés gyökös folyamatába avatkoznak be. Leggyakrabban klór és brómvegyületeket alkalmaznak, melyek hatásának fokozása érdekében gyakran antimon származékokat is adnak a rendszerhez. Bár ezek az égésgátlók a legjobbak közé tartoznak, a folyamat során keletkező káros halogén származékok miatt a kutatások egyre inkább ezek háttérbe szorítására és kivonására irányulnak. Mivel hasonlóan jó hatásmechanizmussal rendelkező vegyületeket egyelőre nem sikerült kifejleszteni, így ezek betiltására egyelőre nem kerül(hetet)t sor.
Az utolsó nagy csoportot az intumescens égésgátlók alkotják, melyek tagjai leggyakrabban foszfor és nitrogén vegyületek. Általános hatásmechanizmusukra jellemző, hogy hőbomlásuk során egy habos, szenes réteget képeznek a polimer felületén, melynek hatása nagyon hasonló az alumínium-hidroxidnál tárgyaltéval. Ugyanúgy gátolják a pirolízis gázok ki, míg a hő befelé történő áramlátás, ám egyúttal elősegítik a polimerek szenesedését, ezzel gyorsítva a határréteg kialakulását és csökkentve a pirolízis gázok fejlődését.

Szabványok az égésgátlásban

Természetesen az égésgátlók hatását megfelelően ellenőrizni kell, melyre számos szabványt írtak elő az évek során. Ezek közül mind a mai napig a leggyakrabban alkalmazott az úgynevezett UL 94 előírás, mely az égésgátolt polimereket három fő csoportba (V0, V1, V2) sorolja. Ezek közül a V0 minősítés jelenti a „gyakorlatilag éghetetlen” polimert. Ezen kívül viszont más vizsgálati módszerek is érvényben vannak, mint például az EN ISO 11925-2 vagy a DIN 4102, melyek ugyanúgy használatosak égésgátolt polimerek minősítésére.

Összefoglalómban röviden áttekintettük a polimerek égésgátlásának legfontosabb mechanizmusait, az ehhez leggyakrabban alkalmazott adalékanyagokat, és a minősítésre alkalmas szabványokat. A polimerek égésgátlásának tárgyalása során mindig észben kell tartanunk, hogy a megfelelő égésgátlás nem az előállított tárgyak, hanem sokkal inkább az emberéletek védelmét szolgálja.

Források:
Polymer Flammability, National Technical Information Service (NTIS), Springfield, Virginia 2005
www.rtpcompany.com/products/flame-retardant/how-flame-retardant-systems-work-in-plastics/
www.chem.elte.hu/departments/tdk/arch/2005/dolgozat2005/bozi_janos.pdf
www.sp.se/en/index/services/firetest_building/firetest_bu%C3%ADlding/DIN4102part1/Sidor/default.aspx