Achieving simultaneous flame retardancy and mechanical reinforcement in PLA via PAPP/La 2 O 3 synergistic catalysis and uniaxial pre-stretching

प्लास्टिक हर जगह मौजूद है, हमारे दैनिक उपयोग के खाद्य कंटेनरों से लेकर हमारे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के आवरणों तक। दशकों तक, उद्योग पेट्रोलियम-आधारित प्लास्टिक पर निर्भर रहा, लेकिन पर्यावरणीय क्षति के प्रति बढ़ती जागरूकता और कचरे को कम करने की इच्छा ने बायो-आधारित विकल्पों की ओर ध्यान आकर्षित किया है। ऐसा ही एक पदार्थ पॉलीलैक्टिक एसिड है, जिसे अक्सर PLA कहा जाता है। यह मक्का और आलू जैसे नवीकरणीय संसाधनों से बनाया जाता है, और पारंपरिक प्लास्टिक के विपरीत, यह हानिरक प्राकृतिक घटकों में टूट सकता है। यह इसे एक हरित भविष्य के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, इस आशाजनक सामग्री में एक महत्वपूर्ण दोष है जो इसे हर जगह उपयोग किए जाने से रोकता है: यह बहुत आसानी से जल जाती है। जब PLA में आग लगती है, तो यह एक गर्म, बहते हुए तरल में पिघल जाता है जो तेजी से आग को फैलाता है और बूंदों के रूप में गिरता है, जिससे यह इलेक्ट्रॉनिक्स या निर्माण सामग्री जैसे अनुप्रयोगों के लिए खतरनाक हो जाता है। PLA को उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इसे भंगुर या कमजोर बनाए बिना आग रोकने का तरीका खोजना होगा, जो कि एक कठिन संतुलन है जिसने लंबे समय से शोधकर्ताओं को चुनौती दी है।

हाल ही में एक अध्ययन में, चीन के संस्थानों के वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए दो अलग-अलग दृष्टिकोणों को जोड़कर इस पर काम किया: एक रासायनिक मिश्रण जिसे आग रोकने के लिए डिज़ाइन किया गया था और एक भौतिक प्रक्रिया जिसे सामग्री को मजबूत करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के अग्नि मंदक (फायर रिटार्डेंट) पर ध्यान केंद्रित किया जिसे पाइपरज़ीन पाइरोफॉस्फेट या PAPP कहा जाता है। यह पदार्थ गर्म होने पर एक सुरक्षात्मक परत बनाकर काम करता है, लेकिन अपने आप में, प्रभावी होने के लिए इसे अक्सर बड़ी मात्रा में इसकी आवश्यकता होती है, जो प्लास्टिक को कमजोर कर सकती है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) के रूप में कार्य करने के लिए नैनो-लैंथेनम ऑक्साइड की एक सूक्ष्म मात्रा मिलाई, जो एक दुर्लभ-पृथ्वी धातु यौगिक है। इस धातु को एक विशेष उपकरण के रूप में समझें जो अग्नि मंदक को बहुत अधिक कुशलता से काम करने में मदद करता है, जिससे टीम को बेहतर परिणाम प्राप्त करने के लिए इसका कम उपयोग करने की अनुमति मिलती है। उन्होंने इन सामग्रियों को PLA में मिलाया और फिर परिणामी शीट को एक विशिष्ट भौतिक उपचार के अधीन किया: उन्हें गर्म होने पर एक दिशा में खींचना। यह प्रक्रिया, जिसे 'यूनिएक्सियल प्री-स्ट्रेचिंग' (uniaxial pre-stretching) कहा जाता है, प्लास्टिक के अणुओं की आंतरिक संरचना को पुनर्गठित करने के लिए थी।

इस दोहरी रणनीति के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि रासायनिक योजकों और खिंचाव की प्रक्रिया के संयोजन ने अग्नि और मजबूती दोनों समस्याओं को एक साथ हल कर दिया। एक नमूना जिसमें अग्नि मंदक की तेरह प्रतिशत मात्रा और धातु उत्प्रेरक की दो प्रतिशत मात्रा थी, ने मानक ऊर्ध्वाधर दहन परीक्षण में V-0 की रेटिंग प्राप्त की, जिसका अर्थ है कि आग हटाने के तुरंत बाद इसने जलना बंद कर दिया। यह शुद्ध PLA की तुलना में एक बड़ा सुधार था, जो परीक्षण पास करने में पूरी तरह विफल रहा था। वास्तविक आग के अधिक कठोर सिमुलेशन में, नई सामग्री ने शुद्ध प्लास्टिक की तुलना में आधे से भी कम ऊष्मा उत्सर्जित की। विशेष रूप से, कुल उत्सर्जित ऊष्मा लगभग अस्सी इकाइयों से गिरकर बीस आठ से कम हो गई, और ऊष्मा के निकलने की चरम दर आधे से अधिक कम हो गई। इस सामग्री ने काफी कम धुआं भी पैदा किया, जो अग्नि सुरक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम कर गया, टीम ने जलने के बाद सामग्री के अवशेषों का परीक्षण किया। शुद्ध PLA ने लगभग कोई अवशेष नहीं छोड़ा, जिससे आग के खिलाफ कोई सुरक्षा नहीं मिली। केवल अग्नि मंदक वाले नमूनों ने एक झुलसा हुआ (चारड) स्तर छोड़ा, लेकिन वह ढीला और छेदों से भरा था, जिससे ऊष्मा और ऑक्सीजन गुजर सकते थे। हालाँकि, नैनो-लैंथेम ऑक्साइड वाले नमूनों ने कार्बन की एक घनी, निरंतर परत बनाई। यह परत केवल एक अवरोध नहीं थी; यह आणविक स्तर पर अत्यधिक व्यवस्थित थी, जो एक ऐसी संरचना के समान थी जो बहुत अधिक स्थिर और ताप-प्रतिरोधी है। धातु उत्प्रेरक ने अग्नि मंदक को इस उच्च-गुणवत्ता वाली ढाल बनाने में मदद की, जिसने प्रभावी रूप से प्लास्टिक के नीचे तक ऊष्मा और ऑक्सीजन को पहुँचने से रोक दिया। इसके अतिरिक्त, रासायनिक प्रतिक्रिया ने ऐसी गैसें छोड़ीं जो आग की रासायनिक श्रृंखला अभिक्रिया में हस्तक्षेप करती हैं, जिससे जलने की प्रक्रिया और धीमी हो जाती है।

शायद अग्नि सुरक्षा जितना ही महत्वपूर्ण सामग्री के भौतिक व्यवहार में बदलाव था। खिंचाव उपचार से पहले, अग्नि-मंदित प्लास्टिक भंगुर था; मुड़ने पर यह आसानी से टूट जाता था, जो प्लास्टिक में फिलर्स जोड़ने की एक सामान्य समस्या है। लेकिन शोधकर्ताओं द्वारा शीट को साठ डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने और खींचने के बाद, सामग्री बदल गई। यह लचीली और मजबूत हो गई। टूटने से पहले सामग्री के खिंचने की क्षमता नाटकीय रूप से बढ़ गई, जो पांच प्रतिशत से अधिक होकर अस्सी प्रतिशत से ऊपर पहुँच गई। साथ ही, इसे खींचने के प्रति इसके प्रतिरोध की क्षमता भी वास्तव में बढ़ गई, जो लगभग चौवन से बढ़कर लगभग अड़सठ इकाइयों की मजबूती तक पहुँच गई। यह इसलिए हुआ क्योंकि खिंचाव की प्रक्रिया ने प्लास्टिक के भीतर कसकर बँधे आणविक श्रृंखलाओं को सुलझा दिया, जिससे बल लगाने पर वे अधिक स्वतंत्र रूप से संरेखित और गति करने में सक्षम हो सके।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह विधि चुनौतीपूर्ण अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए PLA के उपयोग हेतु एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है। एक दुर्लभ-पृथ्वी धातु का उपयोग करके अग्नि मंदक की दक्षता बढ़ाने और फिर सामग्री की मजबूती को बहाल करने के लिए उसे भौतिक रूप से खींचकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्लास्टिक बनाया जो आग से सुरक्षित भी है और तनाव झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत भी है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि उस पारंपरिक समझौते को दूर करना संभव है जहाँ प्लास्टिक को सुरक्षित बनाने से वह कमजोर हो जाता है। यह दृष्टिकोण पैकेजिंग, इलेक्ट्रॉनिक्स और परिवहन जैसे क्षेत्रों में बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक के उपयोग के द्वार खोल सकता है, जहाँ अग्नि सुरक्षा और स्थायित्व अनिवार्य आवश्यकताएं हैं।