Synergistic SiO2@DPPA flame retardancy for enhancing flame retardancy and thermal insulation in epoxy resin

مشكلة الالتصاق للغراء فائق القوة

تخيل أن لديك غراءً فائق القوة وفائق الالتصاق، يربط معاً كل شيء من أجنحة الطائرات إلى الإلكترونيات عالية التقنية. يُسمى هذا الغراء "راتنج الإيبوكسي" (epoxy resin)، وهو بطل في عالم علم المواد لأنه قوي، ولا ينكمش عند جفافه، ويلتصق بأي شيء تقريباً. ولكن، مثل العديد من الأبطال، لديه نقطة ضعف قاتلة: فهو سريع الاشتعال بشكل لا يصدق. إذا أشعلت عود ثقاب بالقرب منه، فإنه يحترق مثل مخيم نار، مطلقاً كميات هائلة من الحرارة والدخان الكثيف الذي يسبب الاختناق. وفي عالم تصبح فيه قواعد السلامة أكثر صرامة، نحتاج إلى طريقة للحفاظ على قوة هذا الغلام المذهل دون السماض بأن يتحول إلى خطر حريق.

لإصلاح ذلك، يحاول العلماء غالباً خلط "رجال إطفاء" تسمى مثبطات اللهب. فكر في هذه كأنها مكونات خاصة تضيفها إلى كعكة لمنعها من الاحتراق بسرعة كبيرة. يعمل بعض رجال الإطفاء هؤلاء عن طريق إطلاق غاز يخنق النار (مثل وضع غطاء على قدر)، بينما يعمل آخرون عن طريق تحويل سطح المادة إلى درع أسود صلب (مثل القشرة المتفحمة) التي تمنع النار من الأكل بعمق أكبر. التحدي يكمن في إيجاد مزيج يوقف الحريق دون جعل الغراء ضعيفاً أو هشاً. هذا هو اللغز الذي سعى الباحثون في هذه الورقة لحله: كيف نجعل راتنج الإيبوكسي آمناً ضد الحريق دون فقدان قوته الفائقة؟

قصة الورقة البحثية: درع حريق مزدوج المفعول

في هذه الدراسة، قرر الباحثون، بقيادة تشاولونغ شيانغ وتياننان مان، بناء "رجل إطفاء خارق" عبر دمج نوعين مختلفين من الحماية في جسيم واحد صغير. لقد صنعوا مادة جديدة تسمى SiO₂@DPPA. لفهم ماهية هذه المادة، تخيل إسفنجة مسامية ناعمة مصنوعة من الزجاج (هلام السيليكا الهوائي، أو SiO₂). هذه الإسفنجة رائعة في حبس الهواء وحجب الحرارة، تماماً مثل معطف شتوي لغنائك. ومع ذلك، أراد الباحثون منها أن تفعل أكثر من مجرد حجب الحرارة؛ أرادوا منها أن تحارب النار بنشاط.

لذلك، قاموا بتغطية هذه الإسفنجة الزجاجية بمادة كيميائية خاصة تسمى DPPA (ثنائي فينيل أزيد الفوسفات). يمكنك التفكير في DPPA كمادة كيميائية "مرشوشة" تطلق، عندما تسخن، غازاً يخنق وقود الحريق ويساعد في تحويل سطح الغراء إلى قشرة صلبة واقية. ومن خلال لصق هذين المكونين معاً، صنعوا جسيماً هجيناً يعمل مثل إسفنجة بداخلها طفاية حريق مدمجة.

قاموا بعد ذلك بخلط جسيم SiO₂@DPPA الجديد هذا، مع بعض المساعدين الآخرين (هلام السيليكا الهوائي ونوع من الطين يسمى OMMT)، في راتنج الإيبوكسي لإنشاء طلاء خاص. واختبروا كميات مختلفة لمعرفة أي مزيج يعمل بشكل أفضل. كانت النتائج واعدة للغاية. فعندما أضافوا 2 wt% فقط (كمية صغيرة جداً) من جسيم SiO₂@DPPA الجديد إلى المزيج، أصبح الطلاء بطلاً في مكافحة الحرائق.

إليك ما حدث عندما اختبروه مقابل مصدر حرارة قياسي:

• الحرارة: انخفض ذروة معدل إطلاق الحرارة (مدى سرعة اشتعال النار بأقصى درجة) بنسبة 47.6%.
• الاحتراق الكلي: انخفض إجمالي كمية الحرارة التي أطلقتها النار بمرور الوقت بنسبة 47.6%.
• الدخان: انخفض إجمالي كمية الدخان الناتجة بنسبة 41.5%.

لوضع هذا في السياق، فقد احترق راتنج الإيبوكسي النقي بذروة حرارية بلغت 479.3 كيلو واط/م²، لكن الطلاء الجديد وصل فقط إلى 247.2 كيلو واط/م². هذا فرق هائل، مما يعني أن الحريق كان أقل شدة وأصعب بكثير في الاستمرار.

لكن الغراء الآمن ضد الحريق لا فائدة منه إذا انكسر عند سحبه. وجد الباحثون بسعادة أن طلاءهم الجديد لم يحول الغراء إلى زجاج هش. فالطلاء الذي يحتوي على 2 wt% من الجسيم الجديد لا يزال يتمتع بقوة شد بلغت 11.1 ميجا باسكال. ورغم أن هذا أقل قليلاً من الغراء النقي (الذي كان 12.9 ميجا باسكال)، إلا أنه لا يزال قوياً جداً ومرناً بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي.

كما اختبروا مدى قدرة الطلاء على حجب الحرارة. فعندما سخنوا أحد جوانب الإعداد إلى 130 درجة مئوية، وصلت درجة حرارة سطح الطلاء الذي يحتوي على 2 wt% من SiO₂@DPPA إلى 100.2 درجة مئوية فقط. وهذا يوضح أن الطلاء يعمل كبطانية حرارية، حيث يمنع الحرارة من المرور بفعالية كما يفعل الإيبوكسي النقي. بالإضافة إلى ذلك، اختبروا مدى قدرة الطلاء على منع الصدأ في الماء المالح، وأظهرت النتائج أنه يمكنه حجب جزيئات الماء والأيونات المسببة للتآكل، كما يتضح من انخفاض كثافة تيار التآكل بشكل كبير مقارداً بالصلب القياسي.

كيف يعمل الأمر: الهجوم ذو المسارين

إذاً، كيف يحدث هذا السحر؟ يقترح الباحثون استراتيجية "هجوم ذو مسارين" تحدث في مكانين في آن واحد:

1. الدرع الصلب (المرحلة المكثفة): عندما يبدأ الحريق، تتفكك جزء الـ DPPA من الجسيم وتتحول إلى مادة لزجة تشبه الحمض. يعمل هذا الحمض مثل "طاهٍ"، حيث يطهو سطح راتنج الإيبوكسي ليحوله إلى طبقة فحم سوداء صلبة (مثل القشرة على الخبز المحمص). وفي الوقت نفسه، يساعد الـ SiO₂ (الإسفنجة الزجاجية) في ملء الشقوق والفجوات في هذه القشرة، مما يجعلها كثيفة ومتينة. يعمل هذا الدرع الصلب كجدار مادي، يمنع النار من الأكل بعمق أكبر في المادة ويمنع دخول الأكسجين.
2. سحابة الغاز (المرحلة الغازية): في الوقت نفسه، يطلق الـ DPPA غازات غير قابلة للاشتعال. تطفو هذه الغازات في اللهب وتخفف من الوقود الذي تحتاجه النار لتشتعل. الأمر يشبه إطفاء شمعة عن طريق تغطيتها بسحابة من الهواء غير القابل للاحتراق. كما يساعد الـ SiO₂ أيضاً في حبس جزيئات الدخان، وهذا هو السبب في انخفاض إنتاج الدخان الإجمالي بشكل كبير.

أكد الباحثون هذه الآلية من خلال فحص الرماد المتبقي بعد الحريق. فقد وجدوا أدلة على وجود P₂O₅ (مركب فوسفوري) وطبقة فحم مستقرة، مما يثبت صحة نظرية "الإسفنجة ذات الرشاش".

الحكم النهائي

تشير هذه الورقة البحثية إلى أنه من خلال الجمع بين إسفنجة زجاجية حاجبة للحرارة ومطفأة حريق كيميائية، يمكننا إنشاء طلاء يجعل راتنج الإيبوكسي أكثر أماناً دون إفساد قوته. وجد الفريق أن كمية صغيرة (2 wt%) من مادة SiO₂@DPPA الجديدة كانت هي "النقطة المثالية"، حيث قدمت أفضل توازن بين السلامة من الحريق، وتقليل الدخان، والقوة الميكانيكية. وبينما لم يدّعوا حل كل مشاكل الحريق في العالم، فقد أظهروا طريقة فعالة للغاية لجعل المواد عالية التقنية أكثر أماناً، وأبرد، وأكثر مقاومة للحريق، مع الحفاظ على قوتها لدعم المستقبل.