Flame retardancy of polyurethane foam reinforced by hollow glass microspheres and ammonium polyphosphate
تُظهر هذه الدراسة أن طريقة "الوعاء الواحد" البسيطة التي تدمج كرات زجاجية مجوفة وبولي فوسفات الأمونيوم تنجح في إنتاج رغوة بولي يوريثان كارهة للماء ومرنة مع خفض معدل ذروة إطلاق الحرارة بنسبة 12.9%، مما يوفر مساراً واعداً لإنتاج إسفنجات عالية الأداء ومقاومة للهب على نطاق صناعي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد النار قوة لا هوادة لها تحول المواد العادية إلى وقود، ولكن بعض المواد تكون أكثر حماساً للاحتراق من غيرها. ويُعد رغوة البولي يوريثين (Polyurethane foam)، وهي مادة خفيفة الوزن وإسفنجية توجد في كل شيء بدءاً من وسائد الأثاث وصولاً إلى عزل المباني، واحدة من هذه المواد. فبنيتها ذاتها، المليئة بالجيوب الهوائية الصغيرة التي تجعلها عازلاً ممتازاً، تجعلها أيضاً سريعة الاشتعال بشكل خطير. ولأن هذه الجيوب تحبس الأكسجين، يمكن للرغوة أن تشتعل بسرعة، وتحترق بحرارة شديدة، وتطلق دخاناً كثيفاً وساماً. وعلى مدى عقود، سعى العلماء لإيجحال طرق لجعل هذه المادة متعددة الاستخدامات أكثر أماناً دون تدمير خصائصها المفيدة. ويكمن التحدي في إيجاد مواد مضافة توقف انتشار الحريق مع الحفاظ على نعومة الرغوة وخفتها ومتانتها، وكل ذلك مع تجنب المواد الكيميائية الضارة بالبيئة أو صحة الإنسان.
في دراسة حديثة، استكشف باحثون في جامعة أنكانغ في الصين حلاً مباشراً لهذه المشكلة من خلال الجمع بين مادتين متمايزتين: الكرات الزجاجية المجوفة وبولي فوسفات الأمونيوم. وقد وضع الفريق هدفاً لإنشاء نوع جديد من الرغوة المقاومة للهب باستخدام عملية خلط بسيطة أطلقوا عليها اسم "طريقة الوعاء الواحد" (one-pot method). فبدلاً من التصنيع المعقد متعدد الخطوات، أخذوا المكونات القياسية المستخدمة لصنع رغوة البولي يوريثين وأضافوا هذين المكونين المحددين مباشرة إلى الخليط. والكرات الزجاجية المجوفة هي كرات صغيرة وخفيفة الوزن مصنوعة من الزجاج ولها مركز مجوف، بينما بولي فوسفات الأمونيوم هو مادة كيميائية شائعة غير سامة معروفة بقدرتها على إيقاف الحرائق. ومن خلال مزج هذه المكونات معاً، هدف الباحثون إلى معرفة ما إذا كان هذا المزيج يمكن أن يحمي الرغوة من الاحتراق مع الحفاظ على سلامتها الهيكلية.
أظهرت نتائج تجربتهم أن المزيج الجديد عمل بفعالية. فعندما فحص الباحثون الرغوة تحت المجهر، وجدوا أن الكرات الزجاجية والمادة المضافة قد اندمجتا جيداً في بنية الرغوة. فقد احتفظت المادة بشبكتها الإسفنجية المألوفة من المسام المترابطة، لكن جدران هذه المسام كانت الآن مغطاة بالجسيمات المضافة. وقد تأكد هذا الاندماج من خلال تحليل التركيب الكيميائي للرغوة، والذي كشف عن وجود السيليكون والفوسفور، وهما العنصران الأساسيان الموجودان في الكرات الزجاجية والمادة المقاومة للحريق، على التوالي. علاوة على ذلك، اكتشف الفريق أن الرغوة المعالجة أصبحت طاردة للماء؛ فعندما سقط الماء على السطح، تجمّع في شكل كرات مثالية بدلاً من أن يتشرب، مما يشير إلى أن المادة الجديدة يمكنها تحمل البيئات الرطبة حيث قد تفشل الرغوة غير المعالجة.
ظهرت النتائج الأكثر أهمية عندما اختبر الفريق كيفية سلوك الرغوة أثناء الحريق. وباستخدام جهاز متخصص يقيس انبعاث الحرارة، قارنوا الرغوة الجديدة بالرغوة القياسية غير المعالجة. فقد احترقت الرغوة غير المعالجة بكثافة، مطلقة دفعة هائلة من الحرارة في وقت قصير جداً وفاشلة في تكوين أي حاجز واقٍ. وفي المقابل، تصرفت الرغوة المعالجة بشكل مختلف؛ فعند تعرضها لنفس الحرارة، شكلت طبقة كثيفة وواقية من الفحم (char) على سطحها. عمل هذا الفحم كدرع، يحجب الحرارة والأكسجين عن المادة الموجودة تحتها. ونتي جنبًا لذلك، أطلقت الرغوة المعالجة حرارة أقل بكثير بشكل عام؛ حيث انخفض ذرو معدل انبعاث الحرارة بنسبة تقارب ثلاثة عشر بالمائة، وانخفض إجمالي كمية الحرارة المنبعثة خلال عملية الاحتراق بأكملها بنسبة عشرين بالمائة.
وأوضح الباحثون أن هذا التحسن يأتي من خلال جهد تعاوني بين المادتين المضافتين. فعند التسخين، يتحلل بولي فوسفات الأمونيوم ليخلق مادة تشجع الرغوة على التحول إلى طبقة صلبة غنية بالكربون بدلاً من الذوبان. وفي الوقت نفسه، يطلق غازات خاملة تعمل على تخفيف الأبخرة القابلة للاشتعال. وتدعم الكرات الزجاجية المجوفة هذه العملية من خلال العمل كهيكل صلب داخل طبقة الفحم، مما يساعدها على البقاء متماسكة ويمنع الحرارة من الانتقال إلى الداخل. يعمل هذا المزيج بفعالية على إبطاء تقدم الحريق وتقليل كمية الطاقة التي يمكن أن يولدها الحريق. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة البسيطة أحادية الخطوة تنجح في إنشاء رغوة بولي يوريثين ليست فقط أكثر أماناً ومقاومة للحريق، بل وأيضاً أكثر مقاومة للماء، مما يوفر مساراً عملياً نحو مواد أكثر أماناً للمباني ووسائل النقل دون الاعتماد على مواد كيميائية ضارة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.