Silica Aerogel as an Active Residue Modifier in Intumescent Coatings: Balancing Thermal Insulation, Adhesion and Char Evolution

تعتمد سلامة المباني الفولاذية من الحرائق على حارس صامت وغير مرئي: طلاء خاص يتمدد عندما يسخن. فعندما تندلع حريق، لا يحترق هذا الطلاء المتضخم (intumescent) ببساطة؛ بل يخضع لتحول دراماتيكي. فهو يطلق غازات تجعله ينتفخ ليصبح طبقة سميكة ورغوية من الفحم، تعمل كبطانية حرارية تبطئ وصول الحرارة إلى المعدن الموجود تحته. الفولاذ قوي للغاية، لكنه يفقد قدرته على تحمل الوزن عندما يسخن بشدة، عادةً بين أربعمائة وخمسمائة درجة مئوية. وبدون هذا الحاجز الواقي، يمكن لهيكل المبنى أن ينهار قبل انتهاء الحريق بفترة طويلة. والهدف الذي يسعى إليه مهندسو الحرائق هو إبقاء الفولاذ بارداً لأطول فترة ممكنة، مما يمنح وقتاً للناس للهروب ولرجال الإطفاء للوصول.

لقد حاول العلماء لعقود من الزمن جعل هذه الدهانات الواقية أفضل عبر إضافة مواد تحجب الحرارة. وأحد أكثر المواد واعدة هو "السيليكا إيروجيل" (silica aerogel)، وهي مادة تُسمى غالباً "الدخان المتجمد" لأنها تتكون في الغالب من هواء محبوس داخل إطار صلب. إنها خفيفة الوزن بشكل مذهل وتمنع انتقال الحرارة من خلالها بشكل أفضل من أي شيء آخر تقريباً. بدت الفكرة بسيطة: اخلط هذا المسحوق فائق العزل في طلاء الحريق، وستصبح الطبلة الناتجة قادرة على إبقاء الفولاذ أبرد لفترة أطول. ومع ذلك، فإن إضافة مسحوق إلى طلاء سائل ليست مجرد مسألة خلط مكونات؛ فهي تغير كيفية التصاق الطلاء بالمعدن وكيفية تشكل الرغوة عند وقوع الحريق. فإذا لم يلتصق الطلاء جيداً، فقد تتقشر الطبقة الواقية، تاركة الفولاذ مكشوفاً. وإذا كانت بنية الرغوة ضعيفة جداً، فقد تتشقق وتفشل. لقد كان التحدي دائماً يتمثل في إيجاد الكمية المناسبة من هذا المسحوق لإضافتها دون الإخلك بقدرة الطلاء على التمسك أو قدرته على التمدد بشكل صحيح.

وضع فريق من الباحثين في جامعة كوليدج لندن وجامعة برونيل في لندن حل هذه الأحجية. فقد أخذوا نوعين مختلفين من طلاءات الحماية من الحريق التجارية، المعروفين بـ BS وSM، وخلطوا معهما كميات متفاوتة من "السيليكا إيروجيل" الكارهة للماء والمتاحة تجارياً. واختبروا مقدار المسحوق الذي يمكن أن تحتمله الدهانات قبل أن يبدأ المزيج في الفشل. بحثوا في مدى جودة التصاق الطلاء بالمعدن، ومدى قدرته على إبطاء الحرارة، وما يتحول إليه الطلاء بعد خبزه في فرن عند ثمانمائة درجة مئوية. وكشفت أعمالهم أن العلاقة بين إضافة المزيد من الإيروجيل والحصول على حماية أفضل ليست خطاً مستقيماً؛ فإضافة القليل يساعد، لكن إضافة الكثير تؤدي إلى انهيار النظام.

وجد الباحثون أنه عندما أضافوا خمسة عشر بالمائة من الإيروجيل من حيث الوزن إلى الدهانات، تحسن العزل الحراري بشكل كبير. فقد انخفضت قدرة الطلاء على توصيل الحرارة بنسبة تقارب خمسة وثمانين بالمائة في إحدى التركيبات وسبعة وسبعين بالمائة في الأخرى. وعندما سخنوا لوحاً معدنياً مغطى بهذا المزيج، ظل الجزء الخلفي من المعدن أبرد بكثير مما كان عليه مع الطلاء العادي. وفي أحد الاختبارات، تأخر ارتفاع درجة الحرارة في المعدن بنحو عشر درجات مئوية مقارنة بالطلاء غير المعدل. وهذا التأخير أمر بالغ الأهمية في حريق حقيقي، لأنه يمدد الوقت قبل وصول الفولاذ إلى نقطة الفشل الحرجة. ومع ذلك، جاء هذا التحسن بتكلفة؛ فكلما زادت كمية الإيروجيل، قلت قدرة الطلاء على الالتصاق بالمعدن. وعند نسبة خمسة عشر بالمائة، احتفظ الطلاء بنحو نصف قوة التصاقه الأصلية. وعندما دفعوا الكمية إلى عشرين بالمائة، انخفض الالتصاق إلى مستوى خطير، حيث تمسك الطلاء بنحو خمسة عشر إلى ثمانية عشر بالمائة فقط من قوته الأصلية. وفي هذا المستوى العالي، أصبح الطلاء ضعيفاً جداً بحيث لا يصمد أمام ضغط الحريق، مما يهدد بسقوط الطبقة الواقية ببساء.

وربما كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو أن الإيروجيل لم يكن مجرد مادة مالئة خاملة، بل غير طريقة سلوك الطلاء عندما يسخن. لاحظ الباحثون أن الطلاءين المختلفين تفاعلا بطرق متناقضة تماماً عند خلطهما مع الإيروجيل وتسخينهما. ففي الطلاء الأول، منع الإيروجيل الرغوة من التمدد؛ فبدلاً من الانتفاخ لتصبح طبقة رغوية تشبه ندف الثلج، انكمش المزيج وأصبح بقايا كثيفة ومتراصة ومندمجة (sintered)، وبدا ككتلة صلبة ملتحمة أكثر منها رغوة. أما في الطلاء الثاني، فلم يمنع الإيروجيل التمدد؛ حيث ظل المزيج ينتفخ محتفظاً ببنية ليفية مفتوحة تحتوي على ثقوب وقنوات، لكن جزيئات الإيروجيل كانت منسوجة داخل هذه الشبكة المتمددة. أظهر هذا أن نفس المادة المضافة يمكن أن يكون لها تأثيرات مختلفة تماماً بناءً على كيمياء الطلاء التي تُخلط معها. لم يكن الإيروجيل مكوناً سلبياً، بل كان معدلاً نشطاً يحدد الشكل النهائي وقوة الحاجز ضد الحريق.

ولفهم ما إذا كان هذا الطلاء الجديد والمحسن سيعمل حقاً في مبنى حقيقي، استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية أدائه على العوارض الفولاذية داخل الجدار. كانوا مهتمين بشكل خاص بـ "التجسير الحراري" (thermal bridging)، الذي يحدث عندما تتسلل الحرارة عبر الفجوات في العزل، عادةً حول وصلات الفولاذ. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بينما كان الطلاء الجديد تحسناً هائلاً مقارنة بالطلاء العادي القديم، إلا أنه لم يكن بارداً بما يكفي ليحل محل العزل الذي يغطيه. كان للطلاء موصلية حرارية تبلغ حوالي 0.09، بينما كان الصوف المعدني الذي كان من المفترض أن يحميه أفضل بكثير، بموصلية تبلغ حوالي 0.035. ولأن الطلاء كان لا يزال أكثر توصيلاً للحرارة من العزل، فإن جعل طبقة الطلاء أكثر سمكاً جعل تدفق الحرارة أسوأ وليس أفضل. أشارت عمليات المحاكاة إلى أنه لكي يوفر الطلاء فائدة صافية في كفاءة الطاقة، يجب أن تنخفض قدرته على توصيل الحرارة إلى ما دون تلك الخاصة بالعزل الذي يغطيه.

خلصت الدراسة إلى أن أفضل توازن بين إبقاء الفولاذ بارداً وإبقاء الطلاء ملتصقاً بالجدار وُجد عند مستوى تحميل خمسة عشر بالمائة. وفرت هذه الكمية أكبر انخفاض في انتقال الحرارة مع بقاء الطلاء محتفظاً بما يكفي من القوة للبقاء متصلاً. وأكد الباحثون أن مجرد إضافة المزيد من الإيروجيل للحصول على عزل أفضل هو فخ؛ فبعد نسبة خمسة عشر بالمائة، يصبح الطلاء ضعيفاً جداً ليكون مفيداً، وتبدأ فوائد العزل في التلاشي مع تحول المزيج إلى حالة غير متساوية ومليئة بالعيوب. وقد أرسى هذا العمل أن تصميم الجيل القادم من طلاءات الحريق يتطلب رقصة دقيقة بين الأداء الحراري، والقوة الميكانيكية، وكيفية تفاعل المواد مع الحرارة الشديدة. لقد أظهر أن السيليكا إيروجيل أداة قوية، ولكن فقط إذا استُخدمت بدقة، مع احترام الكيمياء الفريدة للطلاء الذي تُضاف إليه. وتقدم النتائج مساراً واضحاً نحو إنشاء طلاءات تحمي المباني من الحريق دون المساس بسلامتها الهيكلية، مما يساعد في بناء بنية تحتية أكثر أماناً وكفاءة في استهلاك الطاقة.