PLASTİKLER NEDEN ve NASIL YANAR ?
Her yıl sayısız yangın ve yangına bağlı yaralanma ve ölüm haberleri duyarız ve bunların kaynağı konusunda hemen hiç birimiz bir neden-sonuç ilişkisi kurmaz çoğu zaman sadece sonuca odaklanırız. Oysa gerçekleşen yangının bir araç yangınımı bir işyeri yangını mı, ev yangınımı gibi detayları ele alıp, burada kullanılan plastik ve plastik türevi malzemeleri değerlendirdiğimizde, bu tür malzemelerin yanma özellikleri ve bunların nasıl giderileceği konusunda fikir yürütülmesi çok daha kolay olacaktır.
Plastikler zengin karbon kaynağıdır ve bu yüzden çok güzel yanarlar ve ısı değerleri oldukça yüksektir. Yanma sırasında ortaya çıkan ısı, duman yoğunluğu ve kalıntılar tamamen kullanmış olduğumuz plastik malzemenin türü, içindeki katkılar veya dolgu tiplerine bağlı olarak değişir.
Yanma olayları sırasında yangının başlama ve kontrolden çıkma süreci oldukça kısadır. Bu kısa sürede yangın kontrol altına alınamadığı taktirde tek seçenek en hızlı şekilde de yangın bölgesini terk edilmesidir. Bu gün bir çok orta ve küçük ölçekli plastik işletmelerinde uygun yangın söndürme altyapısı bulunmamaktadır. Hatta özellikle geri dönüşüm tesisleri profesyonel olmaktan çok uzaktır ve son yıllarda daha sık geri dönüşüm tesislerindeki yangın haberleri ile karşılaşıyoruz. Yapısal gereklilikler sebebiyle yangın güvenlik yapısını kurmuş olan işletmelerde de, plastikler potansiyel bir yangın risk faktörü olarak değerlendirilmediği için bir çok işletmenin depo bölümünde bu tür tedbirlere gerek bile görülmemiştir.
Plastiklerin yanması sırasında ortam şartlarında bağlı olarak bir çok zehirli gazlar açığa çıkar. Bu zehirli gazların solunması, yangın anında canlıların zehirlenerek ölmesine sebep olabilir. Günlük hayatımızda, plastikleri birbirinden ayırmak amaçlı olarak kullanılan yakma ve koklama yönteminin ne kadar riskli olduğunu bir kez daha hatırlatmak isteriz.
Yangın sırasında çıkan zehirli gazlar ortamdaki kimyasal yapılar ve ortam şartların bağlı olmakla birlikte genellikle HCN (Hydrogen Cyanide), HCl ( Hydrogen Chloride), CO (Carbon monoksite), PAHs ( Polycyclic Aromatic Hydocarbons) ve PXDD/F ( Hologenated Dioxines ve Furans) türevi gazlardır.
Plastikler veya daha teknik kullanımı ile Polimerler, birbiri ardına sıralı küçük kimyasal yapıların ki, buna yine teknik olarak monomer diyoruz, birleşmesi sonucunda oluşan yüksek molekül ağırlıklı yapılardır. Bu tanımlama ile plastikleri katı halde bir kimyasal olarak tanımlayabiliyoruz. Yüksek karbon yapılı bir kimyasalın yanması ve yanarken de yüksek oranda ısı çıkarması son derece doğaldır.
Peki günlük hayatımıza bu kadar işlemiş bir malzemeyi kullanmaktan geri kalamayacağımıza göre bu olumsuzluğu nasıl ortadan kaldıra biliriz?
İşte burada kimyanın gücü ortaya çıkıyor. Polimerik malzeme tipine göre geliştirilmiş bir çok katkıyı kullanarak bu tür riskleri azaltmayı ve daha güvenli bir şekilde kullanmayı mümkün hale getirebiliyoruz. Burada kullanılan katkıları veya başka deyişle yanma geciktiricilere ayrıca değineceğiz ancak öncelikle yanma olayının nasıl gerçekleştiğini anlamakta fayda var.
Yanma olayı 3 evrede gerçekleşir:
Bunlar sırasıyla yangının ilk başlangıç evresi. Bunun için bir yanıcı kaynağa ihtiyaç vardır ve ufacık bir alev veya kıvılcım bunun için yeterlidir. Hatta bir çok kimyasal, bu ortam ısısı ile kendini parlama olarak gösterebilir.
İkinci evresi ise yangının gelişme evresidir. Burada ortama yayılan ısı ve moleküler parçalanma ile alevlenme hızlanarak devam eder. Bu hızlanma bazı durumlarda ortaya çıkan yanıcı madde türüne bağlı olarak son derece hızlı bir şekilde gelişir ve yanmayı tetiklemiş olur.
Son evre ise artık ortamda yanacak bir unsur kalmadığında yanmanın azalması ve hatta kendi kendine sönmesidir. Bu evre, ısısal bozunma ile ortaya çıkan yanıcı moleküllerin azalması ve yetersiz oksijen gibi unsurlar ile tamamlanan bir süreçtir.
Sonuçta; yanma olayının gerçekleşmesi için yanıcı bir madde, ısı ve oksijene ihtiyaç vardır. Eğer bu üçünden herhangi birisi ortamda bulunmaz ise veya uzaklaştırılır ise yanma olayı gerçekleşmez veya söndürülmüş olur.
Buradan hareketle, kullanılan plastik malzemelerin kendileri birer yanma kaynağıdır ve süreli kullandığımız için ortamda var olacaktır. Oksijen, doğanın kanunun olarak her yerde bulunmaktadır ve özellikle canlıların bulunduğu ortamlardan soyutlanması mümkün değildir. Son etken olarak ısı kalmaktadır. O halde plastik malzemelerin yanması sürecinde en önemli etken ısı kaynaklarının uzaklaştırılması veya malzemelerin ısısal dirençlerinin artırılmasıdır.
Ancak ısısal direnci artırmanın bir sınırı vardır ve öyle yada böyle belli sıcaklığa ulaşıldığında, ki buna malzemenin termal bozunma sıcaklığı diyoruz, plastikler mutlaka bozunmaya uğrayacak ve yanıcı kimyasal parçacıkların ortaya çıkmasına vesile olacaklardır. Aşağıdaki tabloda piyasada en çok bilinen bazı plastik türlerinin yüksek sıcaklıkta (piroliz sırasında) ortaya çıkarmış oldukları yanıcı malzeme miktarları % cinsinden verilmiştir:
|
Ürün
|
HDPE
|
LDPE
|
PP
|
PS
|
PVC
|
PET
|
|
Gaz
|
11.4
|
21.4
|
6.5
|
0.7
|
3.9
|
49.1
|
|
Yağ
|
36.8
|
17.8
|
31.5
|
59.0
|
22.1
|
23.5
|
|
Wax
|
29.9
|
35.4
|
38.3
|
12.4
|
0.0
|
15.9
|
|
Char
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
13.5
|
12.8
|
|
HCl
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
31.7
|
0.0
|
O halde yanmazlık olayını iki ayrı evrede ele almak daha uygun olacaktır:
1- Isısal direncin artırılarak yanmanın daha doğrusu yanmaya başlama süresinim uzatılması.
2- Yanma olayı gerçekleştikten sonra yanma hızının azaltılması veya yangının söndürülmesidir.
Plastik malzemelerin yanmazlık dirençlerinin artırılması için bu gün piyasada çok farklı yapıda ve farklı etki mekanizmasının sahip çok sayıda yanmazlık katkısı( FR) bulunmaktadır. Kısaca belirtmek gerekirse, aşağıdaki şekilde gruplar halinde belirtilebilir:
FR Katkılarını Tipleri:
Halojenli katkılar
Fosfor bazlılar
Azot içerenler
Kalıntı oluşturanlar
Mineral bazlı olanlar
Ancak bunların verimli olmaları, kullanılacak malzemelerin doğru seçilesi ve doğru bir şekilde karıştırılması diğer bir deyişle kompound edilmesini gerekir. Kullanmış olduğumuz plastiğin kullanıldığı yere ve sektöre bağlı olarak aşağıdaki kriterlerin dikkate alınarak FR seçilmesi başarılı bir çalışma için önemlidir.
Yanmazlık Katkısı (FR) Seçme Kriterleri:
Yeterli termal dirence sahip olması
Kompound edilebilir olması
Aşındırıcı olmaması
Fiziksel özellikleri ve görüntüyü bozmaması
Plastik matriksi ile uyumlu olması
Uygun elektriksel özellikler sahip olması
İklim ve çevre direncinin yüksek olması
Zehirli olmaması
Regulasyonlara uygun olması
Ekonomik ve verimli olması.
Yanmazlık katkılarının ( FR) yanma mekanizmasına etkisi
Yanmaya başlama evresinin geciktirilmesi doğrultusuda bir çok stabilizatör dediğimiz katkılar kullanabiliriz. Bunlar beli ölçekte ısısal etkiyi geciktirebilir edebilir ancak bu etki belli sınıra kadardır. Sonrasında daha çok ısısal etkiyi bertaraf etmek adına ortamın soğumasının sağlanması gerekecektir. Bu tür katılar, aslında yanma sırasında kendileri de bozularak ortama su salan FR malzemelerdir. Çoğu inorganik yapılı bu katkılar yanma mekanizmasına etki etmezler. Piyasada en çok bilinenler yanmaz katkıları ATH ve Mg(OH)2 dir. Aynı zamanda bilinen ismi ile halojensiz yanmaz dediğimiz katkılardandırlar. Her ikisi de yanma anında bozunmaya uğrayarak açığa su çıkarırlar ve bu su ortamda soğumayı sağlar.
Bu tarz halojensiz yanmaz katkılarının kullanımı sırasında, bozunma sıcaklıkları ve ortaya çıkarmış oldukları su miktarı önemlidir ve dikkate alınmalıdır. Dolayısıyla bir çok uygulamada yeterli bir soğuma sağması ve yanma geciktirici olarak nitelendirilebilmesi için karışımdaki oranı yüksek olacaktır ve bu yaklaşık olarak % 20-60 arasında değişebilmektedir.
Halojensiz bu tür yanmazların kullanım miktarları sebebiyle akış dinamiğini bozmakta ve işlemeyi zorlaştırmaktadır. Böyle durumlarda kullanılan taşıyıcının ve formül için gereken katkıların iyi belirlenmesi gerekir. Mg(OH)2’nin PP taşıyıcısı ile yapılan bir halojensiz yanmaz çalışmasında akışkanlığın ve çekme kuvvetinin nasıl değiştiğini gösteren tablo aşağıda sunulmuştur.
|
% Mg(OH)2
|
MFI
|
Çekme Kuvveti (MPa)
|
|
0
|
7.0
|
23.0
|
|
35
|
5.4
|
24.9
|
|
40
|
4.0
|
24.7
|
|
45
|
2.2
|
24.3
|
|
50
|
1.2
|
23.0
|
|
55
|
0.8
|
22.5
|
|
60
|
0.2
|
21.8
|
|
65
|
0.1
|
20.0
|
Yangın olayının ikinci evresi, yangın ortamına veya bir diğer değişle yanma mekanizmasına müdahale etmektir. Burada temelde, kimyasal tepkimeye giren yanmaz katkılar kullanılır. Sonuçta yanma olayı da bir kimyasal reaksiyondur ve birbirini tetikleyen bir dizi tepkime sonucunda meydana gelir.
Halojenli yanmazlar, bir başla deyişle Br (Brom) veya Cl (Klor) içeren FR katkıları, bu noktada oldukça etkilidir. Sektörümüzde daha çok Br içerikli yanmazlar bilinir ve bunlar üzerinde çalışmalar yürütülür. Oysa Cl içerikli bir çok yanmaz katkıda farklı uygulamalar için ticari olarak bulunmakta ve oldukça da etkili olmaktadırlar.
Halojen içeren FR katkıları yanma olayında gaz fazda yanma olayına etki ederek yanmayı frenlemektedir. Bir çok kimyasal tepkimede olduğu gibi yanma olayında sinerjik bir çok katkı kullanmak mümkündür. Özellikler halojenli yanmazların etkinliklerini artırmak üzere, halojenli yanmaz ile birlikte bir de sinerjist katkı kullanılır. Bilinen en etkin sinerjist antimondur (Sb2O3). Uygun sinerjik etkiyi yakalamak üzere kullanılacak olan antimonun miktarı iyi hesaplanmalıdır. Aksi taktirde hem istenen sinerjik etki tam olarak karşılanamamış olacak hem de maliyet beklenenden farklı çıkacaktır.
Halojenli yanmazların yanma sırasında çıkarmış oldukları bazı yan ürünler ve kimyasal yapıları sebebiyle canlılar açısından risk oluşturmaktadır. Bu sebeple bazı halojenli yanmazların kullanımı yasaklanmıştır. Ancak gelişen sektör dinamikleri bunların yerine kullanılabilecek bir çok halojenli alternatif geliştirerek sektörün kullanımına sunmuştur.
Piyasada çok sayıda halojenli ( Br, Cl) yanmazlık katkısı bulunmakla birlikte, ticari olarak kullanılabilenlerin sayısı sınırlıdır. En çok bilinin bazı halojenli (Br,Cl ) yanmazlık katkılarının bir kısmı aşağıda verilmiştir.
Polybrominated diphenylethers
Hexabromocyclododecane
Tetrabromobisphenol-A
Brominated (poly) styrene
Bromiated Phenols
Tetrabromophthalic anhydride
Tetradecabromodiphenoxybenene
Tris(tribromophenoxy) triazine
Kloroparafinler
Azot içeren yanmaz katkıları, yangın sırasında gaz fazda azot açığa çıkarırlar. Açığa çıkan azot gazı bozunma sonucu oluşan uçucu yoğunluğunu seyrelterek yanma etkinliğini azaltmış olur. Melamin ve melamin türevi yanmazlık katkıları bu gruptadır. Melaminin buzunma tepkimesi aşağıdaki şekildedir.
Ekinlik mekanizması halojensiz yanmazlarda olduğu gibi “soğuma” veya halojenli yanmazlarda olduğu gibi “kimyasal fazda” etkinlik göstermeyen fakat, yanmayı oluşturan üçüncü faktörü yani “oksijenin bloke edilmesi” şeklinde etkenlik gösteren yanmazlarda mevcuttur.
Bu tür yanmazlar kullanıldığında, yanma anında yapısal değişime uğrayarak yanma bölgesini bir örtü gibi kapatmakta ve yanma mekanizması için gereken oksijenin yanma bölgesine girişini engelleyerek yanma olayını bastırmaktadır.
Yanma sürecinde, ortaya çıkana ısı miktarı yanında, oluşan duman yoğunluğu ve damlama gibi özellikler diğer dikkate alınması gereken parametrelerdir. Duman yoğunluğu direkt canlıların boğulmasına etki etmesi ve damlamanın ise yangının bir yerden başla bir yere sirayet etmesine neden olan etken olduğu için, bu değişkenleri de kontrol altında tutmak gerekir.
Bu amaçla piyasada çok sayıda duman bastırıcı veya dalama önleyici diye ifade edilen katkıları kullanmak mümkündür. Çinko bileşikleri duman önleyici olarak en çok bilinenlerdir.
Damlamayı azaltmak için bir çok kimyasal yapı kullanılıyor olmakla birlikte, plastik yangını sırasındaki bir çok parametreye ve plastik ürün yapısındaki katkılara bağlı olarak bu davranış değişir. Özellikle yanmaz katkılı kompound çalışmalarında, düşük molekül ağırlıklı yanmazlar, kaydırıcılar, hammadde ve kırma gibi malzemeler damlamayı tetikleyen unsurlardır.
Farklı sektörlerde kullanılan plastiklerin yanmazlık değerinin ölçümü için farklı sektörel testler talep edilir. Bütün bu sektörel testleri ve kullanılan yanmazlık katkıların tek tek ele almak ve değerlendirmek elbette ki bu makale içinde mümkün değil.
Ancak sektörel bilgi olması adına sadece ulaştırma sektöründe kullanılan plastik/polimerik malzemelere yönelik kullanılan yanmazlık katkıları ve dağılımını siz değerli okuyucular ile paylaşmayı uygun olacağı düşüncesindeyiz.
