تعزيز الاستقرار الحراري ومقاومة الحرائق في مركبات EVA القابلة للتشكيل الخزفي من خلال هياكل الربط المتقاطع ثلاثية الأبعاد
مقدمة
برزت مركبات أسيتات إيثيلين-فينيل (EVA) القابلة للتشكيل الخزفي كتقدمٍ هام في علم المواد، وخاصةً في مجال البوليمرات المقاومة للحرارة. تُستخدم المركبات القائمة على EVA على نطاق واسع بفضل مرونتها ومقاومتها للصدمات واستقرارها الحراري، مما يجعلها مثاليةً لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى تحسين الاستقرار الحراري، وخاصةً في درجات الحرارة العالية، أدت إلى تطوير المركبات القابلة للتشكيل الخزفي. تتحول هذه المواد، عند تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة، إلى هياكل شبيهة بالسيراميك، مما يحافظ على سلامتها الميكانيكية ويوفر خصائص مقاومة للحريق.
يستكشف هذا البحث تحضير مركبات EVA القابلة للتشكيل بالسيراميك باستخدام ثنائي (ثالثي-بوتيل بيروكسي) ثنائي إيزوبروبيل بنزين (BIPB) كعامل ربط متقاطع، مع فريتات زجاج السيليكات (SGF) وبولي فوسفات الأمونيوم (APP) كمضافات. تلعب هياكل الربط المتقاطع دورًا محوريًا في تحديد الاستقرار الحراري، والخصائص الريولوجية، وطبيعة الدعم الذاتي للمركب. باستخدام مطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، وقياس السعرات التفاضلية المسحية (DSC)، وقياسات محتوى الهلام، يتم تحليل عملية الربط المتقاطع. يتم توصيف الخصائص الحرارية والريولوجية باستخدام مقياس الروماتوغرافيا والتحليل الوزني الحراري (TGA)، ويتم فحص مسامية بقايا السيراميك، وتركيب الطور، وشكلها من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تسلط الدراسة الضوء على تأثير الهياكل المتشابكة على خصائص السيراميك المركبة، وتقدم رؤى حول الآليات التي تدعم التحول من البوليمر إلى السيراميك.
هياكل الربط المتقاطع في مركبات EVA
يُحفّز دمج مادة BIPB في مصفوفة EVA تكوين هياكل تشابكية، وهي ضرورية لتحسين خصائص المركب. التشابك هو عملية كيميائية تترابط فيها سلاسل البوليمر عبر روابط تساهمية، مما يُؤدي إلى شبكة ثلاثية الأبعاد. تؤثر هذه البنية الشبكية بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية والحرارية للمادة. في هذا السياق، تعمل مادة BIPB كمحفز جذري، مما يُحفّز تكوين روابط تشابكية داخل سلاسل بوليمر EVA.
تم تحليل تكوين هياكل الترابط المتقاطع باستخدام تقنيات تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والمسح التفاضلي الديناميكي (DSC)، وقياسات محتوى الهلام. وفّرت تقنية التحليل الطيفي لتحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR) فهمًا أعمق للتغيرات الكيميائية التي تحدث أثناء عملية الترابط المتقاطع، مع التركيز بشكل خاص على اختفاء أو ظهور المجموعات الوظيفية المرتبطة بمصفوفة EVA. استُخدم المسح التفاضلي الديناميكي لدراسة التحولات الحرارية للمركب، وخاصةً سلوكيات الانصهار والتبلور، والتي تتأثر بدرجة الترابط المتقاطع. كانت قياسات محتوى الهلام، التي تُحدد كمية الجزء غير القابل للذوبان في المركب، بمثابة مؤشر مباشر على مدى الترابط المتقاطع، حيث يرتبط ارتفاع محتوى الهلام ببنية أكثر ترابطًا.
تم أيضًا تقييم دور SGF وAPP في تفاعل الترابط المتقاطع. أُضيف SGF، وهو حشو غير عضوي شائع الاستخدام، وAPP، وهو مثبط للهب، كمواد مضافة لتعزيز الاستقرار الحراري وخواصه الخزفية. ومع ذلك، كشفت تحليلات FTIR وDSC ومحتوى الهلام أن SGF وAPP لم يتداخلا مع تفاعل الترابط المتقاطع الذي بدأه BIPB. يشير هذا إلى أن المواد المضافة تؤثر بشكل رئيسي على الخواص الحرارية والخزفية للمركب دون تغيير عملية الترابط المتقاطع الأساسية.
مادة مركبة من مادة EVA
الخصائص الرومولوجية والاستقرار الحراري
يؤثر تكوين شبكة تشابك ثلاثية الأبعاد في مركب EVA تأثيرًا بالغًا على خصائصه الريولوجية واستقراره الحراري. تُعدّ هذه الخصائص الريولوجية، التي تصف كيفية تشوه المادة تحت الضغط، أساسيةً في تحديد قابلية تصنيع وأداء مركبات البوليمر. أظهرت مصفوفة EVA المتشابكة سلوكًا ريولوجيًا مُحسّنًا، مع زيادة في اللزوجة والمرونة، كما لوحظ من خلال اختبار مقياس الترابط. تُعزى هذه التحسينات إلى شبكة سلاسل البوليمر المترابطة، التي تقاوم التدفق والتشوه بشكل أكثر فعالية من بنية البوليمر الخطية أو ضعيفة التفرع.
تم تقييم الاستقرار الحراري، وهو معيار أساسي للمركبات القابلة للتشكيل بالسيراميك، باستخدام تحليل الوزن الحراري (TGA). أظهر مركب EVA المتشابك استقرارًا حراريًا فائقًا مقارنةً بنظيره غير المتشابك، كما يتضح من ارتفاع درجة حرارة التحلل وانخفاض فقدان الوزن عند درجات الحرارة المرتفعة. تساهم هياكل التشابك في هذا التحسين من خلال تقييد حركة سلاسل البوليمر، مما يقلل من معدل التحلل الحراري. بالإضافة إلى ذلك، عزز وجود SGF وAPP المقاومة الحرارية للمركب. يوفر SGF، باعتباره طورًا زجاجيًا، حاجزًا ضد الحرارة، بينما يُطلق APP، باعتباره مثبطًا للهب، حمض الفوسفوريك عند التحلل، مما يعزز تكوين طبقة فحم واقية تعزل المادة عن الحرارة.
الخصائص القابلة للتخمير والسلوك الداعم للذات
من أبرز خصائص مركب EVA قدرته على التحول إلى هيكل شبيه بالسيراميك عند تعرضه لدرجات حرارة عالية، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التخريم". يُعد هذا التحول بالغ الأهمية في التطبيقات التي تتطلب مقاومة للحريق وسلامة هيكلية. وتتأثر قدرة المركب على دعم نفسه، أي قدرته على الحفاظ على شكله ودعم وزنه أثناء التعرض للحرارة، بشكل مباشر بتكوين الهياكل المتشابكة.
أظهر مركب EVA المتشابك سلوكًا ممتازًا في دعم نفسه ذاتيًا، حيث حافظ على سلامته الهيكلية حتى 1000 درجة مئوية. ويُعزى ذلك إلى الوظيفة الهيكلية لشبكة التشابك، التي تعمل كسقالة تدعم المركب قبل تكوين الأطوار البلورية غير العضوية. مع ارتفاع درجة الحرارة، يذوب SGF ويتحلل APP، مما يُسهم في تكوين بقايا سيراميكية تحل محل مصفوفة البوليمر. يضمن الجمع بين هياكل التشابك والمواد المضافة القابلة للتشكيل الخزفي قدرة المركب على تحمل الإجهاد الحراري دون انهيار أو فقدان خصائصه الميكانيكية.
تم أيضًا دراسة المسامية الظاهرة وكثافة بقايا السيراميك. لعبت هياكل الترابط المتقاطع دورًا هامًا في تقليل المسامية الظاهرة لبقايا السيراميك، مما أدى إلى بنية سيراميكية أكثر كثافة وكثافة. كشف تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) عن التركيب الطوري لبقايا السيراميك، محددًا الأطوار البلورية مثل السيليكات والفوسفات، التي تساهم في خصائص مقاومة المادة للحريق. قدم تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) صورًا مفصلة لشكل بقايا السيراميك، مسلطًا الضوء على البنية الكثيفة والمترابطة التي تشكلت بعد عملية التخمير. يُعدّ انخفاض المسامية وتعزيز الكثافة عاملين رئيسيين في تحسين مقاومة المادة للحريق وقوتها الميكانيكية في درجات الحرارة العالية.
خاتمة
يُمثل تطوير مركبات EVA القابلة للتشكيل بالسيراميك، ذات هياكل تشابك ثلاثية الأبعاد، تقدمًا كبيرًا في مجال المواد المقاومة للحريق. ويؤدي استخدام BIPB كعامل تشابك، مع SGF وAPP كمضافات، إلى إنتاج مركب يتميز بثبات حراري فائق، وخصائص ريولوجية، وخصائص تشابكية. وتلعب هياكل التشابك، التي تُشكل شبكة متينة داخل مصفوفة EVA، دورًا حاسمًا في تعزيز قدرة المركب على الدعم الذاتي وتقليل مسامية بقايا السيراميك.
تُظهر نتائج هذه الدراسة أن تفاعل الترابط يحدث بشكل مستقل عن إضافات SGF وAPP، مما يسمح بتحسين متزامن للاستقرار الحراري وخصائص السيراميك. تُظهر البقايا الخزفية المتكونة بعد التعرض لدرجات حرارة عالية انخفاضًا في المسامية وزيادة في الكثافة، مما يُسهم في خصائص مقاومة الحريق للمادة. تُبرز هذه النتائج إمكانات مركبات EVA المترابطة في التطبيقات التي يكون فيها الاستقرار الحراري ومقاومة الحريق أمرًا بالغ الأهمية.
