مقدمة

ولا تزال السلامة من الحرائق أحد أكثر معايير التصميم المطلوبة عبر صناعات البناء والنقل والالكترونيات، حيث أن البوليمرات تحل محل المعادن التقليدية والسرامات في المكونات الهيكلية والوظيفية، تصبح قابلية الإشتعال المتأصلة في هذه المكونات مسؤولية حاسمة، وقد انتقلت مصفوفة تعددية الوصلات البحرية المتعددة المقاييس من الفضول الأكاديمي إلى الضرورة الصناعية، مدفوعة بالحاجة إلى مواد تجمع بين عوامل الوزن الخفيف، وقابلية التجهيز، وأداة قوية للحرق دون أن تكون قابلة للمقارنة.

ويُحدد الآن بصورة روتينية المبيدات السائلة لبطاقات اللهب في تطبيقات تتراوح بين الألواح الداخلية للطائرات ومساكن البطاريات الكهربائية وأجهزة العزل العالي والألواح الصناعية المطبوعة، ويعزز العلم الداعم ارتفاع نسبة المواد السطحية إلى الحجم والطابع الكيميائي للجسيمات النانوية لتحفيز تكوين الشاحنات، ويخلق حواجز مؤثرة في استخدام الغازات المتحركة.

Understanding Polymer Nanocomposites for Fire Safety

وتعرف المادة المتعددة النانوكوبية بأنها مادة صلبة متعددة المراحل، فيها مرحلة واحدة على الأقل بعد في النطاق النانوجي أقل من 100 ميلتر، وجهاز البوليمر يتكون من مصفوفة نقل مطاطية، وخطوبة، أو أنبوب، أو جسيمات متفرقة تقريباً، وتظهر التحسينات الكبيرة في الممتلكات التي لوحظت في 100 جرام من الأشعة المربعية من الإجهاد الهائل

في سياق مثبطات اللهب، المُرشّح ليس مجرد مضاف سلبي، بل يشارك بنشاط في ردود الفعل الاصطناعية والأكسدة التي تحدث أثناء الحريق، والطبيعة الدقيقة لتعددية الدوافع، ونوعية التشت، وآلية المعالجة السطحية، التي ستظهر سلوكاً مُحدّداً،

وقد ازدادت الأهمية التجارية لهذه المواد باطراد على مدى العقدين الماضيين، حيث يتجاوز الإنتاج العالمي من الكولمات النانوية المتعددة المردات التي تحمل حرارة اللهب أكثر من عدة آلاف طن سنويا، مع تطبيقات في قطاعات السيارات والفضاء الجوي والإلكترونيات والتشييد، وقد أدت القدرة على تصميم الأداء في مجال الحرائق من خلال اختيار المواد النانوية والكيمياء السطحية إلى تمكين المصنعين من تلبية المتطلبات التنظيمية المتزايدة الصرامة مع الحفاظ على القدرة التنافسية من حيث التكلفة.

صانعة السلامة من الحرائق في البوليمرات الهندسية

ولا يمكن أيضاً أن تُقيّد القيم المتعلقة بسلسلة المواد الكيميائية الاصطناعية والبوليكربونية والأوكسجينية والبوليوريثان والبوليفينات المتعددة الكلورة في التعبئة والتطبيقات الوظيفية، ولكن معظمها لا يمتثل لقيم البوليستروم والبوليفيات، مما يعني أنها ستستمر في الحرق في الهواء العادي، كما أن الأطر التنظيمية مثل لائحة إدارة منتجات البناء الأوروبية()

إن النظم التقليدية لثبط اللهب تعتمد على مركبات مسببة للهلوسة، أو مضافات مسببة للفسفور، أو حمولات عالية (30-60 بالمائة) من الهيدروكسيدات المعدنية، ولئن كانت هذه النُهج تؤدي في كثير من الأحيان إلى تدهور الممتلكات الميكانيكية، وزيادة الكثافة، وتثير الشواغل البيئية، وعلى وجه الخصوص، فإن مثبطات اللهب المهولة قد خضعت للتدقيق من أجل استمرارها في البيئة والآثار الصحية المحتملة، مما يؤدي إلى تخفيف القيود التنظيمية بموجب اتفاقية استكهولم.

والحوافز الاقتصادية أيضاً قاهرة، إذ أن الخسائر المتصلة بالنيران في الأوساط الصناعية والسكنية تكلّف بلايين الدولارات سنوياً في حالات الضرر المباشر في الممتلكات، وقطع الأعمال التجارية، والمطالبات المتعلقة بالمسؤولية، والمواد التي يمكن أن تؤخر الوميض، وتخفض معدلات إطلاق النار، وتكبح توليد الدخان، توفر دقائق حاسمة للإجلاء الشاغل والتدخل في مكافحة الحرائق، وبالنسبة للمصنّعين، فإن تحديد التركيبات النانوية يمكن أن يميز المنتجات في الأسواق التي تعتبر فيها معياراً رئيسياً في مجالاً في مجال النقل العام.

نظم المواد النانوية الرئيسية لاسترداد الشعلة

اختيار الجسيمات النانوية تمليه آلية مثبطة اللهب المرغوبة، مسار التحلل في البوليمر المضيف، والمتطلبات الحرارية والميكانيكية للتطبيق النهائي، وتوضح أدناه أكثر الأسر دراسة، مع التركيز على طريقة عملها، ومستويات التحميل المعتادة، والتوافق مع البوليمرات الهندسية المشتركة.

سلايتس (نانوكياليس)

أما في المائة من النانويات المحتوية على نانوكولات، فإن هيكلها المطبق على طبقة أحلامية من البوليتروجينات المحتوية على عدة مواضع، والمنشور بين صحائف من نوع تيترات السيليكون التي تحتوي على البولي في الفلور، وعند تعديلها عضوياً بملحوم الأمونيوم الرباعي أو غيره من أشكال العلاج السطحي

غير أن التغيُّر البحري وحده لا يقلل بدرجة كبيرة من إجمالي الحرارة المفرج عنها أو يزيد من مستوى تأثير النيتروز، ولذلك كثيرا ما يقترن بمثبطات اللهب الأخرى في التركيبات الهجينة، حيث أن أكثر النظم التجارية نجاحاً تقترن بمكونات الإضافة أو الهيدروكسيدات المعدنية التي تستخدم الفوسفورات لتحقيق تعزيزات الفحم ونشاط مركب الغازات، وتكلفة عمليات التخصيب ذات أحجام كبير نسبياً مقارنةً

نانويفلرز - نابون - باسيد

وتجتذب مجموعات التكوين والأشعة السينية (GG) وثاني أكسيد الغرافيني المخفض (rGO) ونانووب الكربون اهتماماً شديداً بسبب سلوكها الحراري الاستثنائي وقوامها الميكانيكي، وفي سيناريو الحريق، تشكل شبكة من الأغطية المخففة أو النفثالينات طبقة حماية من الكربون تبطئ الحرارة وتخلق أيضاً نسباً من التشويش على نحو عال.

(ب) إن القدرة على معالجة المواد النانوية الكربونية أثناء فترة الانتقال الحرارية تشكل أثراً مزدوجاً، وفي حين أن الشبكة السلوكية يمكن أن تساعد على تفريق الحرارة عن البقع الساخنة، فإنها يمكن أن تعجل أيضاً بالتدهور الأولي إذا تجاوز تحميل المشغل عتبة التراكم، وتسقط التحميلات البديلة عادة في نطاق 0.5-3 في المائة من وزن النيتروز و1-5 في المائة من التأثيرات الثابتة للأشعة السيبرانية([20]).

مائيات وهيدروكسيدات

كما أن مسببات الارتحال غير المتجانسة (ATH) وHoxyide (MDH) هي أكثر المثبطات شيوعاً للهب غير المهلجنة، حيث أن مؤخرات اللهب التي تستخدمها هي في المقام الأول تحلل الغدد الدهونية، وتخليص الماء، وتترك بقايا أكسيد المعادن التي تعمل كغرف حراري وحاجز للدماغ.

وتتجلى ميزة الهيدروكسيدات المعدنية التي تُعدّ بحجم ناينو في نظم متعددة الفول، إذ إن تحميلها بنسبة 5 في المائة من النيتروز، يُظهر أن البولي بروبيلين المركبين يُحدثان انخفاضاً بنسبة 40 في المائة في عملية البوليمر، بينما يؤدي ارتفاع أقساط أقساط الأوكسجين الصغيرة في نفس التحميل إلى تحسين لا يذكر، كما أن كثافة الدخان تُخَفِّض أيضاً، حيث تُعُعُ مركبات التكسيد الغليون

Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS)

والجزئات التي تستخدم فيها هذه المواد هي أقفاص عضوية مزودة بأجهزة عضوية، مع صيغة تجريبية (RSiO1.5)8، حيث يمكن أن تكون R مجموعة متنوعة من المجموعات العضوية، ويؤدي تفريقها الجزيئي في البوليمرات إلى وجود مبيدات حقيقية من البولينويكات على نطاق يتراوح بين 1 و3 نانوميتر، وفي كثير من الأحيان، تؤدي أقفاص POS إلى تلازم في شبكة من الأوكسجين " سي - أوك " .

وتسمح قابلية الكيمياء في نظام POSS للتعديلات العضوية للصمود بالتوافق مع مصفوفات محددة من البوليمرات، ويستخدم نظام POSS المشغل بالسيل عادة في البوليمرات المشبع بالأشعة الحرة، بينما يمكن إدماج هذه المواد ذات الأداء التراكمي في شبكات التثبيت الحرارية، وتظهر أسعار المواد النانوية الناتجة عنها بوضوح شديد نظراً إلى أن موجة الأشعة بين البوليسترات.

نظم نالوبيزيجات

:: بالإضافة إلى الأسر القائمة، فإن العديد من النظم الناشئة للجسيمات النانوية تحظى باهتمام من حيث إمكاناتها في مجال مقاومة اللهب، كما أن هذه النظم توفر كيميائياً قابلاً للتكرار، مع القدرة على إدماج مختلف القشور المعدنية والأنواع المتعددة التي تطلق الماء وثاني أكسيد الكربون أثناء التحلل.

آليات قمع الحرائق في نانويكليس

ونادرا ما يعزى الأثر المتخلف عن الحرائق الذي أحدثه البوليمر النانوكوي إلى عملية واحدة؛ بل إنه ناتج عن مزيج من الآليات المادية والكيميائية العاملة في مرحلتي المكدس والغاز، ومن الضروري فهم هذه المسارات فهما شاملا لتصميم المواد الرشيدة ولتنبؤ الأداء في إطار سيناريوهات مختلفة لإطلاق النار.

آليات المرحلة الموحدة

-التحية السائلة، ونسبة السائلة العالية، ونسبة السائلة المُتخفية، ونسبة السائلة المُتخفية، ونسبة السائلة، ونسبة السائلة، ودرجة السائلة، ونسبة السائلة، ودرجة البوليمر، التي تفصل بين البوليمر من مصدر الحرارة و الأكسجين،

(أ) يمكن أن تحفز هياكل الحرق السطحي ذات الكفاءة الدهونية، وتخفض تفاعلات التقلبات الأكسدة في البوليمر، وتزيد من إنتاج بقايا الكربون الثابتة، وتتحول هذه المادة الميكانيكية إلى ممر ثابت من حيث الكفاءة السطحية.

(أ) تعديل في علم التلويث (FLT:1]) ] وتخلق الجسيمات النانوية المتناثرة جدا شبكة مادية تزيد بشكل كبير من الازدراء والرطوبة في الخرف المنخفض، وتمنع هذه الشبكة من التكتل وتتكون من حرائق المجمع، وهو أسلوب شائع في الفشل في العناصر البلاستيكية ذات الحد الأدنى الرأسي، ويُعتبر السلوك غير المُحمّل عاملاً رئيسياً في تحقيق الحد الأدنى من حيث:

مساهمات المرحلة الغازية

وبالرغم من أن معظم المصابين بالنانوبيل غير ملوثين، وفعلهم الأولي في المرحلة المكثفة، يسهم البعض بشكل غير مباشر في تعطيل المحركات الغازية، وتركيب الماء المحتوي على الهيدروجين المميت الذي يزيل غازات البلاستيك ويبرد منطقة اللهب، وتركيب ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الهادروجين عند درجات الحرارة التي تضاهي منطقة اللهب، مما يزيد من تذبذبذب المزه

الميزات المقارنة على المتخلفين عن علم تقليدي

وتجلب المواد النانوية البوليمرية مزيجاً فريداً من الأداء والتجهيز والفوائد البيئية التي تفصل بينها وبين مثبطات اللهب التقليدية، وتلخص النقاط التالية المزايا الرئيسية التي ينبغي أن ينظر فيها المهندسون ومصممو المنتجات عند تقييم الخيارات المادية.

  • ]Lower loading, preserved properties.] Effective flame retardancy can be achieved at 1-5 weight percent nanofiller, versus 30–60 weight percent for ATH or MDH. This preserves the polymer's tensile strength, impact resistance, and elongation at break, allowing materials to be used in little-walled, load-beive components that would fail.
  • Enhanced thermal stability.] Many nanoparticles increase the onset temperature of degradation, widening the processing window and improving the long-term heat aging performance of the part. This is particularly valuable for under-hood automotive applications and electronic enclosures that experience sustained thermal exposure.
  • Smoke suppression and reduced toxicity.] The compact char layer reduces the emission of soot and toxic gases such as CO and HCN. Several independent studies have shown that nanoclay-epoxy composites generate up to 30 percent less than the neat resin during flaming combustion. The reduction in smokeacity hazards improves visibility during flamighting combus.
  • تعزيزات ميكانيكية نفس الجسيمات النانوية ذات الأحترام العالية التي تحسن أداء الحرائق تثير أيضاً مِنْ قوّة المركبة، وخلق مواد متعددة الوظائف تقلل من وزنها ودرجة تعقيدها في التجمع، ويمكن أن تحل تركيبة نانوية واحدة محل طبقات هيكلية ومخلفة من الحرائق، وتبسّط التصنيع، وتخفض التكلفة.
  • (أ) كثيراً ما تتجنب النظم النانوية اللوكوبائية مركبات مسببة للهلوسة، مما يؤدي إلى تخفيف إعادة التدوير والتخلص من النفايات في نهاية العمر، كما يؤدي انخفاض التحميل المضاف إلى انخفاض أثر الكربون المرتبط بالتعدين، وتجهيز ونقل كميات كبيرة من المشغلين.() وتظهر دراسات تقييم دورة الحياة لنظم التبريد المسببة للناجم(20) مقارنة بنظم الحرق المحتملة التي تبلغ 15 في المائة().

التطبيقات الهندسية عبر الصناعات الرئيسية

ويغطي اعتماد البوليمرات النانوية المسببة للهب قطاعات صناعية متعددة، لكل منها متطلبات محددة للأداء وأطر تنظيمية، وتسلط الفروع التالية الضوء على التطبيقات التمثيلية والنظم المادية التي تمكنها.

المركبات الآلية والكهربائية

كما أن التحول نحو المركبات الكهربائية قد كثف الحاجة إلى بلاستيك آمن بالحريق في مبان البطارية، والوصلات، والحافلات، والهياكل الأساسية المحملة بالشحن، كما أن المبيدات السائلة ذات الصبغة الفلورية التي تستخدم في اختبارات البوليميد 6 أو البوليبروبيلين باستخدام أجهزة التتبع ذات الصبغة النانوية والفوسفورية تُستخدم لإنتاج مكونات معدلة للأشعة فوق البنفسية التي تُعدّية

Aerospace Interiors

Inolic event of nanocomite gases reinforced with organoclays or carbon nanofillers are now standard in honeycomb core Sins, seat frames, and overhead binrs.

الإلكترونيات والمعدات الكهربائية

وتضع عمليات الاستنفاد إلى أجهزة إلكترونية متعددة البوليمرات الحساسة من حيث الحرارة في أماكن قريبة جداً من مصادر الإشعال، كما أن المتجانسات والمعادن واللوحات الدوائية المطبوعة التي تبثها أجهزة التفكيك الحرارية ذات السعة العالية من المواد الكيميائية، والتي تُعرض على أجهزة التحلل الحرارية ذات الجودة العالية للأجهزة المحمولة (PA) والتي تُضفي على أجهزة التكتل الحرارية.

مواد البناء والبناء

إن وجود عوامل ضغط ذاتية مسببة للتوتر والتعددية الاضطرابات، قد يؤدي إلى حدوث زيادة في عدد عناصر التكاثر في البُعد البوليفوري، حيث تؤدي عوامل التكاثر المغناطيسي إلى زيادة التكاثر في البُعد البوليفوري، وتُظهر عوامل التكاثر الجذابة في البُعد البوليفوري للغاز النانوي.

معايير التكييف والاختبار

تقييم الأداء الناموسومي للناموسيات المتعددة الكلور باستخدام هرمية من الاختبارات الصغيرة والمتوسطة الحجم التي تحاكي سيناريوهات مختلفة من الحرائق، وتتطابق قياسات الناموسيات المشتعلة من نوع CO 5660-1 مع الحد الأدنى من المقاييس المستخدمة في الاختبارات الحرارية (رقم قياسي مائي) (رقم قياسي متصل بمقياس الحرارة (Ene-95) مع الحد الأدنى من التراكمات العمودية (X)

:: تحليلات تكميلية للمقاييس الحرارية، وتحليلات قياسية للأشعة فوق البنفسجية، إلى جانب أساليب قياس سميكة لنقل أربعة مستويات، وفحص مواصفات المقاييس التراكمية، وكشف مسارات الاختزال، وكمية الأشعة السينية، وطريقة قياس الاختبارات المضغوطة،

التحديات الراهنة والحواجز الصناعية

وعلى الرغم من النجاحات الواضحة التي تحققت في المختبرات، يجب التغلب على عدة عقبات من أجل الاعتماد الصناعي الواسع النطاق، كما أن تحقيق التفريق الموحد بين الجسيمات النانوية أمر غير قابل للفت؛ فالتجميعات تعمل كمركّزات للإجهاد وتخفض من المساحة الفعالة للتشريد بين الوجوه، وتطوير تقنيات التشت المكبوتة، مثل تركيب المبيدات، وضبط البوليمركات في الموقع، يمثل مجالاً نشطاً من مجالات البحث.

ومع أن تكلفة المواد النانوية العالية الجودة، ولا سيما الجرافينات ذات الجدران الواحدة، والنفثالينات، لا تزال باهظة بالنسبة للأسواق الحساسة للأسعار مثل التغليف والسلع الاستهلاكية، فالأسعار السوقية للنفثالينات ذات الجدران الواحدة يمكن أن تتجاوز 100 دولار للغرام، بينما تبلغ تكلفة إعادة تدوير المواد العضوية نحو 5-10 لكل كيلوغرام، مما يؤدي إلى استمرار تطوير البدائل ذات التكلفة المنخفضة والتقليل من حجم المواد المحتملة.

وثمة تحد آخر يتمثل في عدم وجود نماذج تنبؤية يمكن أن تترجم بيانات قياسات مقياس المكسور الصغيرة إلى سلوك حريق حقيقي، وتدفق الحرارة، وتركيز الأوكسجين، وظروف التهوية في حريق حقيقي متغيرة للغاية، وأن أداء المواد المتطورة في الندوب يمكن أن يختلف اختلافا كبيرا بين الاختبارات المختبرية والسيناريوهات الكاملة النطاق، وأن نماذج هندسة الحرائق التي تتضمن البارامترات الحرارية والزنة المقيسة في المختبرات المختبرية، لا تزال قيد الافتراضية، ولكن لم تتحقق بعد.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات المستدامة

وينطوي الجيل القادم من المبيدات الخافضة للهب على محركات ناوية مشتعلة، وأجهزة مسببة للثقوب السائلة، وأجهزة الحرق المحتوية على مواد كيميائية متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، وأجهزة متطورة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة بأجهزة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة بأجهزة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، ومزودة، وراثية، ومزودة، ومزودة بأجهزة، ومزودة، ومزودة، وراثية، ومزودة،

وثمة حدود أخرى تتمثل في الجمع بين مثبطات اللهب وغيرها من الوظائف: التلقيح الذاتي، ورصد الصحة الهيكلية، والإدارة الحرارية، مثلا، يمكن أن تؤدي شبكة من النسيجات المتعددة الكترونيا التي تعمل بجهاز الاستشعار عن بعد، وجهاز تسخين جوول لإلغاء السم، وطبقة إبطال للحرق، وتظهر تركيبة المبيدات الخافضة للحرق في عمليات الفتح الاصطناعي (الطباعة)

(أ) إنّ إعادة تدوير المواد المحتوية على خامات من البوليسترينات المحتوية على سائل مشتعلة، معقدة بسبب احتمال حدوث تكاثر في المصابيح أثناء المعالجة المُتكررة للبوليمرات، ووجود مضافات مُحدثة للشعلة قد تتدهور أثناء إعادة المعالجة.

موجز

وتشكل المبيدات الميكانيكية المتعددة لبطاقات اللهب مجالاً ناضجاً وإن كان سريعاً يتطور ويعالج متطلبات السلامة من الحرائق في الهندسة الحديثة، ومن خلال دمج المواد النانوية المصممة حسب التركيزات المنخفضة، يمكن لمهندسي المواد أن يحسن بشكل كبير تكوين الشارع، وخواص الحاجز، واستقرار المادة دون التضحية بمزايا الميكانيكية والمعالجة في البوليمر الأساسي، واختيار المتغير في الصبغات الحرارية.