حظيت رغاوي البولي إيميد (PIFs) القائمة على الإيزوسيانات باهتمام كبير في مختلف التطبيقات الصناعية نظرًا لخصائصها المميزة، بما في ذلك الاستقرار الحراري، والقوة الميكانيكية، وخفة الوزن. ومع ذلك، تُشكل قابليتها للاشتعال تحديًا أمام استخدامها على نطاق أوسع. يستكشف هذا البحث دمج ثلاثي (1-كلورو-2-بروبيل) فوسفات سائل (TCPP) وجسيمات هيدروتالسيت دقيقة الحجم (LDH) كمثبطات للهب في رغاوي البولي إيميد القائمة على الإيزوسيانات. توضح الدراسة آثار اختلاف جرعات ونسب خلط هذه المواد المضافة على مقاومة الرغوة للحريق وسلامتها الهيكلية. تُبرز النتائج إمكانية دمج ثلاثي (1-كلورو-2-بروبيل) فوسفات سائل (TCPP) وجسيمات هيدروتالسيت دقيقة الحجم (LDH) لتحقيق مقاومة أفضل للحريق وتحسين البنية الخلوية.
تُستخدم رغاوي البولي إيميد، وخاصةً تلك المصنوعة من الإيزوسيانات، على نطاق واسع في صناعات متنوعة، من الفضاء إلى السيارات، نظرًا لاستقرارها الحراري وخصائصها الميكانيكية الاستثنائية. ومع ذلك، تُعدّ قابليتها للاشتعال عيبًا جوهريًا يحدّ من استخدامها في البيئات الحساسة للحرائق. لذلك، يُعدّ استخدام مثبطات اللهب أمرًا ضروريًا لتعزيز مقاومتها للحريق.
في السنوات الأخيرة، أُجريت دراسات على مُثبطات اللهب المُختلفة لتحسين أداء المواد البوليمرية في مقاومة الحرائق. من بين هذه المُثبطات، أثبتت المُركبات القائمة على الفوسفور السائل، مثل TCPP، فعاليةً ملحوظة. يُعرف TCPP بقدرته على تعطيل عملية الاحتراق من خلال آليات عمل فيزيائية وكيميائية. ومع ذلك، فإن استخدام TCPP بتركيزات عالية قد يؤثر سلبًا على سلامة هيكل الرغوة نظرًا لتقلبه أثناء عملية المعالجة.
على النقيض من ذلك، أظهرت مركبات LDH، وهي مركبات غير عضوية مكونة من هيدروكسيدات معدنية، كفاءةً واعدةً كمثبطات للهب. يسمح تركيبها الطبقي الفريد بتداخل الأنيونات المختلفة، مما يعزز استقرارها الحراري وخصائصها المقاومة للهب عند دمجها في مصفوفات بوليمرية. تهدف هذه المقالة إلى دراسة التأثيرات التآزرية لدمج TCPP وLDH في رغاوي PIFs القائمة على الإيزوسيانات، مع التركيز على مقاومة الحريق والخصائص الهيكلية للرغوات الناتجة.
تم تصنيع رغاوي PIFs القائمة على الإيزوسيانات عبر عملية من خطوة واحدة، باستخدام جرعات مختلفة من جزيئات TCPP وLDH. صُنفت الرغاوي بناءً على التركيبات التالية:
التحكم (بدون إضافات)
تركيبات TCPP فقط (جرعات متفاوتة)
تركيبات LDH فقط (جرعات متفاوتة)
تركيبات TCPP وLDH مجتمعة (نسب خلط مختلفة)
تضمّن التحضير خلطًا دقيقًا للمكونات، تلاه معالجة في ظروف مُراقبة. خضعت الرغوات الناتجة لاختبارات تحليلية مُختلفة لتقييم خصائصها.
مؤشر الأكسجين المحدود (LOI): أُجري هذا الاختبار لتقييم الحد الأدنى لتركيز الأكسجين اللازم للاحتراق. تشير القيم الأعلى لمؤشر الأكسجين المحدود إلى مقاومة أفضل للهب.
اختبار المسعر المخروطي (CCT): تم استخدام CCT لتقييم خصائص إطلاق الحرارة للرغوة، مما يوفر رؤى حول سلوكها تجاه النار.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM): تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لمراقبة سلامة البنية الكبيرة والصغيرة للرغوة، مما يسمح بإجراء فحص مفصل لشكل الخلايا.
تحليل الاستقرار الحراري: تم إجراء التحليل الوزني الحراري (TGA) لتقييم الاستقرار الحراري للرغوة في ظل ظروف مختلفة.
تأثرت مقاومة الحريق لـ PIFs القائمة على الإيزوسيانات بشكل كبير بإضافة TCPP وLDHs. أظهرت قيم LOI أن التركيبات التي تحتوي على TCPP أظهرت مقاومةً مُحسَّنةً للهب مقارنةً بتلك التي تحتوي على LDHs فقط. وبشكلٍ أكثر تحديدًا، لوحظت زيادة بنسبة 29.4% في LOI عند إضافة 10% من TCPP.
دعمت نتائج اختبار المسعر المخروطي هذه النتائج، كاشفةً عن انخفاض معدل ذروة إطلاق الحرارة (PHRR) بنسبة 36.1% مع إضافة 10% من TCPP. يُعد هذا الانخفاض بالغ الأهمية، إذ يُشير إلى معدل أبطأ لإطلاق الحرارة، مما يُحسّن سلامة المادة في حالات الحرائق.
على الرغم من أن TCPP أظهر كفاءة فائقة في مقاومة اللهب، إلا أن تركيزه الزائد أدى إلى آثار سلبية على بنية الرغوة. أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أنه عند تجاوز جرعة TCPP 10%، حدث تشقق كبير في بنية الخلايا الكبيرة، ولوحظت فتحات في الخلايا الدقيقة. وتُعزى هذه الأضرار الهيكلية إلى التطاير السريع لـ TCPP خلال مرحلة ما بعد المعالجة، مما أدى إلى انكماش الخلايا.
في المقابل، أظهر دمج LDHs قدرة على تعزيز السلامة الهيكلية للرغوات. عند استخدام TCPP مع LDHs بنسبة 10% لكل منهما، أظهرت الرغوات الناتجة تحسنًا في هياكل الخلايا الكبيرة والصغيرة. ساهم انتشار LDHs داخل الرغوات في تقوية النوافذ والهياكل الخلوية، مما قلل من تقلص الخلايا.
أثبت مزيج TCPP وLDHs فعاليته في تعزيز مقاومة الحريق وسلامة الهيكل. خفف وجود LDHs من الآثار السلبية لـ TCPP على البنية الخلوية، مما سمح بتكوين مصفوفة رغوية أكثر استقرارًا. ولم يقتصر دور التركيبة المُحسّنة من 10% TCPP و10% LDHs على تحسين أداء مقاومة الحريق فحسب، بل حافظت أيضًا على البنية الخلوية مقارنةً بالرغوات المعالجة بـ TCPP وحده.
تُؤكد النتائج أهمية موازنة إضافات مثبطات اللهب في الأنظمة البوليمرية لتحقيق أداء مثالي في مقاومة الحريق دون المساس بسلامة الهيكل. فعالية TCPP كمثبط للهب موثقة جيدًا؛ إلا أن تقلبها العالي يُشكل تحديًا في الحفاظ على الخصائص المطلوبة لـ PIFs. يُعالج استخدام LDHs هذه التحديات بتعزيز بنية الرغوة مع توفير مقاومة إضافية للهب.
يُبرز الانخفاض الملحوظ في معدل مقاومة الحريق (PHRR) وزيادة معدل مقاومة اللهب (LOI) إمكانية استخدام مثبطات اللهب السائلة والصلبة معًا. لا يُعزز هذا النهج السلامة من الحرائق فحسب، بل يضمن أيضًا الحفاظ على الخصائص الميكانيكية الأساسية، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات العملية لمثبطات اللهب السائلة في مختلف الصناعات.
في الختام، تُبيّن الدراسة أن الجمع بين TCPP السائل وLDHs صغيرة الحجم يُحسّن بشكل ملحوظ مقاومة الحرائق والسلامة الهيكلية لرغوات البولي إيميد القائمة على الإيزوسيانات. وتتيح التأثيرات التآزرية لهذه المواد المثبطة للهب صياغة رغاوي بولي إيميد عالية الجودة تُلبي معايير السلامة دون المساس بالأداء. وينبغي أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاستقرار طويل الأمد والآثار البيئية لهذه الأنظمة المثبطة للهب لضمان استخدامها المستدام في تطبيقات مُختلفة.
