Effect of an intumescent flame-retardant coating on the pyrolysis and combustion characteristics of UV-aged wood

ظل الخشب حجر الزاوية في البناء البشري لآلاف السنين، حيث قدم الدفء والقوة والجمال الفريد الذي لا يمكن للحجر أو الفولاذ محاكاته. وتعتمد المعابد القديمة، والمنازل التاريخية، والمعالم الثقافية على الأخشما، ومع ذلك يواجه هذا المادة عدوًا صامتًا ومستمرًا: الشمس. فعندما يستقر الخشب في الهواء الطلق لعقود من الزمن، تعمل الأشعة فوق البنفسجية ببطء على تفكيك كيمياء سطحه، مما يحول عروقه النابضة بالحياة إلى لون رمادي وهش. هذه العملية، المعروفة باسم "التعتيق الضوئي"، لا تكتفي بتغيير اللون فحسب؛ بل تغير أيضًا كيفية تفاعل الخشب مع النار، مما يجعل اشتعاله غالبًا أكثر سهولة واحتراقها مختلفًا عن الخشب الطازج. ولحماية هذه الهياكل التي لا تعوض، غالبًا ما يطبق خبراء السلامة من الحرائق طلاءات خاصة مصمأة لتنتفخ وتشكل درعًا واقيًا عند تعرضها للحرارة. ومع ذلك، ظل هناك سؤال عالق: هل لا تزال هذه الحماية فعالة بمجرد تعرض الخشب الموجود تحتها لسنوات من ضوء الشمس؟

لقد وضع فريق من الباحثين هدفًا للإجابة على هذا السؤال من خلال دراسة خشب الصنوبر، وهو مادة شائعة في المباني التاريخية، بعد إخضاعه لضوء شمس اصطناعي مكثف. قاموا بتطبيق طلاء مقاوم للهب من النوع "المنتفخ" (intumescent)—وهي مادة تتمدد لتتحول إلى رغوة عازلة سميكة عند التعرض للحرارة—على كل من الخشب الطازج والخشب الذي تعرض للتقادم بفعل الأشعة فوق البنفسجية. وباستخدام أدوات دقيقة لقياس كيفية تفكك المواد تحت الحرارة وكيفية احتراقها في اختبارات حريق محكومة، اكتشف العلماء أن الطلاء لم يظل فعالًا على الخشب المتقادم فحسب، بل إنه في بعض الجوانب، كان أداؤه أفضل من أدائه على الخشب الطازج. وتكشف الدراسة أن الطبقة الواقية تنجح في إعادة توجيه عملية الاحتراق، محولةً الحريق السريع المدمر إلى تفحم بطيء ومنضبط يحافظ على بنية الخشب.

بدأ التحقيق بإعداد مجموعتين من عينات خشب الصنوبر. تم الاحتفاظ بإحدى المجموعتين في حالتها الطبيعية الطازجة، بينما وُضعت الأخرى في غرفة خضعت لدورة صارمة من الأشعة فوق البنفسجية والتكثيف لمئات الساعات. هذه العملية حاكت سنوات من التعرض الخارجي، مما تسبب في تدهور سطح الخشب وتغير بنيته الكيميائية. ثم طبق الباحثون خليطًا محددًا من المواد الكيميائية المثبطة للهب على كلتا المجموعتين. تضمن هذا الخليط مكونات تطلق غازات عند تسخينها لتوسيع الطلاء وتشكيل حاجز غني بالكربون. ولفهم كيفية سلوك الخشب بدقة، قام الفريق أولاً بتسخين كميات صغيرة من العينات في بيئة محكومة لمراقبة كيفية فقدانها للوزن وتغيرها مع ارتفاع درجة الحرارة. ووجدوا أن الطلاء جعل الخشب يبدأ في تشكيل طبقة تفحم واقية عند درجات حرارة أقل، مما وفر حماية للمادة قبل أن تشتعل النار الرئيسية.

وعندما حلل الباحثون الطاقة المطلوبة لتفكيك الخشب، وجدوا فرقًا واضحًا بين العينات المعالجة وغير المعالجة. فقد تفكك الخشب المتقادم الذي لا يحتوي على أي طلاء بسهولة أكبر، حيث تطلب طاقة أقل لبدء الاحتراق، مما أكد أن ضرر الشمس قد أضعف المادة. ومع ذلك، بمجرد تطبيق الطلاء على الخشب المتقادم، زادت الطاقة اللازمة لمواصلة عملية الاحتراق بشكل كبير. لقد أجبر الطلاء الخشب فعليًا على اتخاذ مسار مختلف أثناء الاحتراق؛ فبدلاً من التحول بسرعة إلى غازات قابلة للاشتعال تغذي الحريق، تم توجيه الخشب لتشكيل بقايا صلبة ومستقرة. هذا التحول يعني أن النار اضطرت لبذل جهد أكبر بكثير لاستهلاك المادة، مما أدى فعليًا إلى إبطاء العملية برمتها.

ولرؤية كيف سينعكس ذلك في سيناريو حريق حقيقي، أخضع الفريق العينات لحرارة شديدة من سخان مخروطي الشكل، محاكيًا ظروف الحريق المتنامي. وقاموا بقياس كمية الحرارة التي أطلقها الخشب، وكمية الدخان التي أنتجها، ومدى سرعة فقدانه للكتلة. كانت النتائج مذهلة؛ فقد أطلق الخشب المتقادم المطلي حوالي نصف الحرارة التي أطلقها الخشب المتقادم غير المطلي عند ذروته. كما أنتج دخانًا أقل بكثير، حيث قلل إجمالي الدخان بنسبة تزيد عن 70 بالمائة في الاختبارات الأكثر كثافة. ولعل الأهم من ذلك هو أن الوقت الذي استغرقه الخشب المطلي للاشتعال كان أطول بكثير، مما منح السكان وقتًا أطول للهروب وأعطى رجال الإطفاء وقتًا أطول للاستجابة. لقد عمل الطلاء كدرع، مما أخر اللحظة التي يمكن فيها للحريق أن يشتعل ومنع الخشب من الاحتراق بسرعة.

كانت الأدلة المادية على هذه الحماية مرئية في البقايا التي تركتها اختبارات الحريق. فقد تحول الخشب غير المطلي إلى طبقة رقيقة وهشة من الرماد لا توفر أي حماية. وفي المقابل، شكل الخشب المطلي، وخاصة النوع المتقادم، طبقة متصلة وسميكة من التفحم تشبه خلية النحل. كانت هذه البنية كثيفة ومترابطة، مما خلق متاهة تمنع الحرارة والأكسجين من الوصول إلى الخشب الموجود تحتها. ومن المثير للدهشة أن طبقة التفحم التي تشكلت على الخشب المتضرر من الشمس كانت أكثر قوة واستمرارية من تلك التي تشكلت على الخشب الطازج. ويرجح الباحثون أن الشقوق والمسام الصغيرة التي أحدثتها أضرار الشمس على سطح الخشب ربما سمحت للطلاء بالارتباط بعمق أكبر، مما خلق ختمًا أقوى تماسك بشكل أفضل أثناء الحريق.

تثبت هذه الدراسة أن تهديد ضرر الشمس لا يجعل طلاءات مقاومة اللهب عديمة الفائدة. بل على العكس، تظل آلية الحماية فعالة للغاية، حيث تنجح في تغيير طريقة احتراق الخشب المتقادم. ومن خلال تعزيز تكوين طبقة تفحم مستقرة وعازلة، يمنع الطلاء الإطلاق السريع للغازات القابلة للاشتعال ويقلل من شدة الحريق. تقدم هذه النتائج منظورًا مطمئنًا للحفاظ على الهياكل الخشبية التاريخية، مما يشير إلى أن هذه الطلاءات يمكن أن توفر سلامة من الحرائق موثوقة حتى بعد تعرض الخشب لعقود من العوامل الجوية. ويؤكد البحث أنه مع العلاج المناسب، يمكن التخفيف بشكل كبير من ضعف الخشب المتقادم تجاه الحريق، مما يحافظ على السلامة وعلى تاريخ هذه الكنوز المعمارية.