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

कई आधुनिक सामग्रियां, रॉकेट ईंधन टैंकों से लेकर लचीले सील तक, HTPB नामक एक पदार्थ पर निर्भर करती हैं। यह एक लंबी-श्रृंखला वाला बहुलक (पॉलिमर) है, जो अनिवार्य रूप से हजारों जुड़े हुए कार्बन परमाणुओं से बना एक अणु है, जो हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ समाप्त होता है। ये श्रृंखलाएं स्वाभाविक रूप से लचीली और मजबूत होती हैं, लेकिन इनमें अपने कुछ कार्बन परमाणुओं के बीच दोहरे बंधन (डबल बॉन्ड्स) होते हैं। हालांकि ये दोहरे बंधन इस सामग्री को इसके उपयोगी गुण प्रदान करते हैं, वे कमजोर बिंदुओं के रूप में भी कार्य करते हैं। समय के साथ, ऑक्सीजन, गर्मी या सूर्य के प्रकाश के संपर्क में आने से इन बंधनों पर हमला हो सकता है, जिससे सामग्री भंगुर हो सकती है या खराब हो सकती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक इस सामग्री को "हाइड्रोजेनेट" करने का प्रयास करते हैं। इस प्रक्रिया में उन दोहरे बंधनों में हाइड्रोजन परमाणुओं को जोड़ना शामिल है, जिससे वे एकल बंधनों (सिंगल बॉन्ड्स) में बदल जाते हैं। इसका परिणाम एक अधिक स्थिर, टिकाऊ प्लास्टिक होता है जो उम्र बढ़ने और कठोर वातावरण का विरोध करता है। हालांकि, इस नाजुक संरचना को नुकसान पहुंचाए बिना इसे कुशलतापूर्वक करना रसायनशास्त्रियों के लिए लंबे समय से एक चुनौती रही है।

भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन और भारतीय अंतरिक्ष विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी संस्थान के शोधकर्ताओं ने हाल ही में इस समस्या का समाधान करने के लिए यह परीक्षण करके कि कैसे एक प्रतिक्रिया पात्र (रिएक्शन वेसल) के भीतर विभिन्न स्थितियां HTPB के हाइड्रोजनीकरण को प्रभावित करती हैं। उन्होंने सक्रिय चारकोल (एक्टिवेटेड चारकोल) पर पैलेडियम और जिरकोनियम से बने एक विशेष उत्प्रेरक (कैटालिस्ट) का उपयोग किया, जिसे आइसोप्रोपिल अल्कोहल और टोल्यूनि के घोल में बहुलक के साथ मिलाया गया था। टीम का उद्देश्य सामग्री को तोड़े बिना उसे यथासंभव बदलने के लिए समय और वातावरण के बीच सही संतुलन खोजना था। उन्होंने पाया कि मिश्रण को गर्म करने की अवधि और रिएक्टर में मौजूद विशिष्ट गैसें निर्णायक कारक थे। जब उन्होंने 240 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर छह घंटे तक प्रतिक्रिया चलाई, तो उन्हें सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त हुए। प्रतिक्रिया के समय को बढ़ाकर आठ घंटे करने से वास्तव में प्रक्रिया कम प्रभावी हो गई, जिससे पता चलता है कि प्रतिक्रिया के लिए एक विशिष्ट अवसर (विंडो ऑफ अपॉर्चुनिटी) होता है इससे पहले कि दुष्प्रभाव हस्तक्षेप करना शुरू कर दें।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्ष रिएक्टर के भीतर विभिन्न गैस वातावरणों के परीक्षण से आया। वैज्ञानिक उम्मीद कर रहे थे कि शुद्ध हाइड्रोजन गैस से पात्र को भरने से सर्वोत्तम परिणाम मिलेंगे, लेकिन उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि जब उन्होंने नाइट्रोजन या हाइड्रोजन और हवा के मिश्रण का उपयोग किया तो क्या हुआ। नाइट्रोजन के वातावरण में, प्रतिक्रिया बहुत कम काम कर पाई, जिससे केवल थोड़ी मात्रा में हाइड्रोजनीकरण प्राप्त हुआ। इसने पुष्टि की कि मुख्य प्रतिक्रिया होने के लिए हाइड्रोजन गैस स्वयं आवश्यक थी। हालांकि, जब उन्होंने हाइड्रोजन मिश्रण में हवा की थोड़ी मात्रा डाली, तो हाइड्रोजनीकरण की डिग्री काफी बढ़ गई, जो लगभग 88 प्रतिशत तक पहुंच गई। यह उच्चतम स्तर था जो उन्होंने प्राप्त किया। हवा में ऑक्सीजन की उपस्थिति ने प्रक्रिया में मदद की, जिससे हाइड्रोजनीकरण बढ़ा, संभवतः विलायक (सॉल्वेंट) से बहुलक श्रृंखलाओं तक हाइड्रोजन के हस्तांतरण में सहायता करके। इस उच्च दक्षता के बावजूद, शोधकर्ताओं ने एक बड़ी कमी नोट की: परिणामी सामग्री एक मोमी ठोस (वैक्सी सॉलिड) में बदल गई जिसे आगे के अनुप्रयोगों के लिए संभालना कठिन था। इस कारण से, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि हाइड्रोजन-हवा का मिश्रण सबसे अधिक रासायनिक रूप से परिवर्तित सामग्री बनाता है, लेकिन एक उपयोगी उत्पाद बनाने के लिए शुद्ध हाइड्रोजन गैस का उपयोग करना अधिक सुरक्षित और व्यावहारिक विकल्प है।

टीम ने यह सुनिश्चित करने के लिए नई सामग्री के गुणों की भी सावधानीपूर्वक जांच की कि क्या इस प्रक्रिया ने इसे नुकसान पहुंचाया है। उन्होंने पाया कि हाइड्रॉक्सिल समूहों की संख्या, जो बहुलक के अन्य सामग्रियों के साथ जुड़ने के लिए आवश्यक है, मूल HTPB के लगभग समान रही। आणविक भार (मॉलिक्यूलर वेट) में केवल मामूली वृद्धि हुई, और तापीय स्थिरता (थर्मल स्टेबिलिटी), या गर्मी के प्रति प्रतिरोध, थोड़ा बेहतर हुआ। इसका अर्थ है कि बहुलक की मूल संरचना बरकरार रही जबकि संवेदनशील दोहरे बंधनों को सफलतापूर्वक परिवर्तित कर दिया गया। यह अध्ययन इस रासायनिक परिवर्तन को नियंत्रित करने के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है। छह घंटे की प्रतिक्रिया अवधि का पालन करके और शुद्ध हाइड्रोजन गैस का उपयोग करके, निर्माता एक अत्यधिक स्थिर, हाइड्रोजेनेटेड बहुलक का उत्पादन कर सकते हैं जो अपनी मूल लचीलापन और बंधन क्षमता को बनाए रखता है, जिससे यह उन मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है जहां दीर्घकालिक स्थायित्व महत्वपूर्ण होता है।