Synergistic effect of natural zeolite on flame retardant additives

Abstract

öz Polimerlerin ateşe dayanıklılığını arttuımak için kullanılan yanmayı önleyici sistemleri konu alan araştırmalarda özellikle çevreye zararsız sistemler tercih edilmektedir. Bu çalışmada, Polipropilenin yanmasını geciktirmek için asidik malzeme ve köpük yapıcı olarak amonyum polifosfat (APP), karbonlaştırıcı olarak Pentaeritritol (PER) ve sinerjik etki sağlayan doğal zeolitten (klinoptilolit, Gördes II) oluşan köpüren alev geciktirici sistem önerilmektedir. İdeal formülü belirlemek amacıyla farklı APP ve PER (0.25, 0.33, 0.5, 1, 2, 3, ve 4) oranları denenmiştir. Aleve dayanıklı formülün geliştirilmesi ve sinerji etkisi gözlenebilmesi için zeolit miktarı 1, 2, 5 ve 10% oranlarında katılmıştır. Toplam dolgu maddesi miktarı her denemede toplam PP kompozit ağırlığının 30%'u olarak sabit tutuldu. Zeolit ve APP katkı maddeleri iki çeşit yüzey geliştirici 3-(trimethoxysilyl)-l-Propanethiol ve (3-aminopropyl)-triethoxysilane modifiye edilerek, bu yüzey işlemlerinin mekanik özellikler ve alev geciktiricilik performansı üzerindeki etkileri incelendi. Zeolit ilaveli ve zeolitsiz PP kompozit malzemelerin oda sıcaklığından 200°C'ye kadar olan sıcaklık aralığında gösterdikleri ısıl davranışlar optik mikroskop altında ısıl işlem uygulanarak gözlendi. Her iki malzeme ısıtma işlemi sırasında benzer davranış gösterdi. 203°C'de ikinci faz olarak pentaeritritol eriyiği meydana geldi ve kabarcık olsumu gözlenmedi. Alev geciktirici malzemelerin 190°C'de reomixer ve sıcak preste işlemleri sırasında da köpük oluşturmadığı anlaşıldı. Yanmamış ve yanmış FR-PP kompozit malzemelerin SEM görüntülerinde zeolit ilaveli ve ilavesiz numunelerin köpük büyüklüğünde ve şeklinde belirgin bir farklılığa rastlanmadı ve zeolit ilaveli yanık numunelerde, zeolit Mstalinin bozulmadığı görüldü. FR-PP kompozit malzemelerin havada alev alma özelliklerini incelemek için UL-94 alev testi uygulandı ve atmosferik koşullarda numunelerin yanma hızları ölçüldü. Saf PP, zeolit katkılı PP ve alev geciktirici formül içeren PP kompozitlerin ayarlanabilir oksijen ve azot gaz karışımı altmda yanmalarını sağlayan minimum oksijen konsantrasyonlarmın belirlenmesi için sınırlı oksijen indisi (LOI) testi uygulandı. Sonuç olarak en iyi alev geciktiricili kompozit malzemelerin APP:PER(3:1)+ PP +2% zeolit ve APP:PER(2:1)+ PP +5% zeolit formülleriyle elde edildiği gözlendi. Bu numunelerin sınırlı oksijen indisleri sırasıyla, 37.4 ve 38% olarak tayin edildi. Tüm deneyler sonucunda elde edilen en yüksek sınırlı oksijen indisi, merkaptosilan ile işleme tutulmuş APP:PER(2:1)+ PP +5% zeolit formülüyle 41% olarak bulundu. Hazırlanankompozit malzemelerin mekanik testleri sonucunda APP miktarı arttıkça elastik modülün düştüğü, kırılma uzamalannınsa arttığı gözlendi.

ABSTRACT Intumescent flame retardant systems were proposed to increase flame retardancy performance of polymers without environmental hazard. An intumescent system consisting of ammonium polyphosphate (APP) as an acid source and blowing agent, pentaerythritol (PER) as a carbonific agent and natural zeolite (clinoptilolite, Gördes II) as a synergistic agent was used in this study for flame retardancy of polypropylene (PP). APP and PER combination were examined at different ratios (0.25, 0.33, 0.5, 1, 2, 3, and 4) for optimization of formulation of flame retardancy. The zeolite was incorporated into flame retardant formulation at four different concentrations ( 1,2, 5, and 10wt%) to investigate synergism with the flame retardant materials. Filler content was fixed at 30w% of total amounts of flame retardant PP composites. The zeolite and APP were treated with two different coupling agents namely, 3-(trimethoxysilyl)-l- Propanethiol and (3-aminopropyl)-triethoxysilane for consideration influence of surface treatments on mechanical properties and flame retardant performance of composites. To investigate thermal behaviour of flame retardant PP composites with and without zeolite, samples were heated on optic microscope hot stage. Both of the composites behaved similarly during heating from room temperature to 203°C. Molten pentaerythritol was observed as a second phase in molten polypropylene at 203 °C. Bubble formations were not observed. Flame retardants did not cause any foam formation during processing of mixture at 190°C in rheomixer and hot press. SEM pictures of non-burnt and burnt flame retardant (FR) PP composites with and without zeolites did not reveal significant difference considering foam size and shape compared to composites without zeolite. Zeolite crystals did not exhibit any deformation during burning of composite. Flammability of FR-PP composites were determined by UL-94 flame test in air. Burning rate of composite was measured for flammable composite in atmospheric condition. The limiting oxygen index (LOI) test method provided measuring the minimum c oncentration of oxygen in a flowing mixture of oxygen and nitrogen that supports combustion of pure PP, zeolite reinforced PP and flame retardant PP composites. The best flame retardant performance was achieved with APP:PER(3:l)+PP+2% zeolite and APP:PER(2:l)+PP+5% zeolite formulations, exhibiting 37.4 and 38% LOI values respectively. LOI values reached maximum value 41% with mercapto silane treated APP:PER(2:1) at 5w% Zeolite PP composite.Young's modulus of composites decreased with increasing amounts of APP in composite on the contrary to their elongation at break properties.