Study on Influence of Reaction time and process environment conditions on Heterogeneous Hydrogenation of HTPB using a Pd-Zr-charcoal catalyst

تعتمد العديد من المواد الحديثة، من خزانات وقود الصواريخ إلى السدادات المرنة، على مادة تسمى HTPB. هذه المادة عبارة عن بوليمر طويل السلسلة، وهي في الأساس جزيء مكون من آلاف ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض، وتنتهي بمجموعات هيدروكسيل. هذه السلاسل مرنة ومتينة بطبيعتها، لكنها تحتوي على روابط ثنائية بين بعض ذرات الكربون الخاصة بها. وبينما تمنح هذه الروابط الثنائية المادة خصائصها المفيدة، إلا أنها تعمل أيضًا كنقاط ضعف؛ فمع مرور الوقت، يمكن للتعرض للأكسجين أو الحرارة أو ضوء الشمس أن يهاجم هذه الروابط، مما يؤدي إلى جعل المادة هشة أو متدهورة. ولإصلاح ذلك، يحاول العلماء إجراء عملية "الهدرجة" للمادة. تتضمن هذه العملية إضافة ذرات الهيدروجين إلى تلك الروابط الثنائية، وتحويلها إلى روابط أحادية. والنتييد هو بلاستيك أكثر استقرارًا ومتانة يقاوم التقادم والبيئات القاسية. ومع ذلك، ظل القيام بذلك بكفاءة دون إتلاف البنية الدقيقة للبوليمر تحديًا استمر لفترة طويلة أمام الكيميائيين.

لقد تصدى باحثون في منظمة أبحاث الفضاء الهندية والمعهد الهندي لعلوم الفضاء مؤخرًا لهذه المشكلة من خلال اختبار كيفية تأثير الظروف المختلفة داخل وعاء التفاعل على هدرجة مادة HTPB. استخدموا محفزًا خاصًا مصنوعًا من البالاديوم والزركونيوم المحمول على الفحم المنشط، ممزوجًا بالبوليمر في محلول من كحول الأيزوبروبيل والتولوين. أراد الفريق إيجاد التوازن المثالي بين الوقت والغلاف الجوي لتحويل المادة قدر الإمكان دون تفكيكها. واكتشفوا أن مدة تسخين الخليط والغازات المحددة الموجودة في المفاعل كانت هي العوامل الحاسمة. فعندما أجروا التفاعل لمدة ست ساعات عند درجة حرارة 240 درجة مئوية، حققوا أفضل النتائج. وقد أدى تمديد الوقت إلى ثماني ساعات في الواقع إلى جعل العملية أقل فعالية، مما يشير إلى أن التفاعل لديه نافذة فرص محددة قبل أن تبدأ الآثار الجانبية في التدخل.

جاءت النتيجة الأكثر إثارة للدهشة من اختبار بيئات غازية مختلفة داخل المفاعل. توقع العلماء أن ملء الوعاء بغاز الهيدروجين النقي سيؤدي إلى أفضل النتائج، لكنهم اختبروا أيضًا ما سيحدث عند استخدام النيتروجين أو خليط من الهيدروجين والهواء. في بيئة النيتروجين، كاد التفاعل أن يتوقف، حيث حقق قدرًا ضئيلًا فقط من الهدرجة. وقد أكد هذا أن غاز الهيدروجين نفسه كان ضروريًا لحدوث التفاعل الرئيسي. ومع ذلك، عندما أدخلوا كمية صغيرة من الهواء في خليط الهيدروجين، قفزت درجة الهدرجة بشكل كبير، لتصل إلى ما يقرب من 88 بالمائة، وهي أعلى مستوى حققوه. بدا أن وجود الأكسجين في الهواء يساعد العملية، ربما من خلال المساعدة في نقل الهيدروجين من المذيب إلى سلاسل البوليمر. وبالرغم من هذه الكفاءة العالية، لاحظ الباحثون عيبًا رئيسيًا: فقد تحولت المادة الناتجة إلى مادة صلبة شمعية يصعب التعامل معها في التطبيقات اللاحقة. وبناءً على ذلك، خلصوا إلى أنه بينما أنتج خليط الهيدروجين والهواء المادة الأكثر تغيرًا كيميائيًا، فإن استخدام غاز الهيدروجين النقي هو الخيار الأكثر أمانًا وعملية لإنتاج منتج قابل للاستخدام.

كما تحقق الفريق أيضًا بعناية من خصائص المادة الجديدة للتأكد من أن العملية لم تسبب أي ضرر لها. ووجدوا أن عدد مجموعات الهيدروكسيل، وهي ضرورية لكي يرتبط البوليمر بالمواد الأخرى، ظل كما هو تقريبًا في مادة HTPB الأصلية. كما زاد الوزن الجزيئي بشكل طفيف فقط، وتحسنت الاستقرار الحراري، أو مقاومة الحرارة، قليلاً. وهذا يعني أن البنية الأساسية للبوليمر ظلت سليمة بينما تم تحويل الروابط الثنائية الضعيفة بنجًاح. توفر هذه الدراسة خارطة طريق واضلة لكيفية التحكم في هذا التحول الكيميائي. فمن خلال الالتزام بزمن تفاعل قدره ست ساعات واستخدام غاز الهيدروجين النقي، يمكن للمصنعين إنتاج بوليمر مهدرج عالي الاستقرار يحتفظ بمرونته الأصلية وقدرته على الترابط، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المتطلبة حيث تكون المتانة طويلة الأمد أمرًا بالغ الأهمية.