التطورات الحديثة في تكنولوجيا مثبطات اللهب العالمية

التطورات الحديثة في تكنولوجيا مثبطات اللهب العالمية

تعد مواد البوليمر، إلى جانب المواد الخزفية والمعدنية، إحدى فئات المواد الرئيسية الثلاث، حيث تغطي تطبيقاتها كل جانب من جوانب عمل الأشخاص وحياتهم اليومية تقريبًا. ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى من مواد البوليمر تتم بلمرها بهيكل عظمي قائم على الكربون، مما يجعلها عرضة للاحتراق عند تعرضها للهب المكشوف أثناء الاستخدام، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لحياة الإنسان وسلامة الممتلكات.

ولذلك، فإن البحث عن خصائص مثبطات اللهب للبوليمرات أمر ضروري للغاية. بناءً على خصائص احتراق مواد البوليمر، يمكن استخدام طرق مختلفة لمقاطعة عملية الاحتراق، وبالتالي تحقيق تثبيط اللهب.

في عام 1930، تم اكتشاف نظام مثبطات اللهب التآزري بأكسيد الأنتيمون والبارافين المكلور وسرعان ما تم تطبيقه بنجاح في بعض مواد البوليمر. في الخمسينيات من القرن الماضي، طورت شركة هوكر بوليستر غير مشبع مثبط للهب باستخدام حمض الكلورينديك التفاعلي. وفي وقت لاحق، ظهرت باستمرار مونومرات تفاعلية مثبطة للهب تحتوي على البروم والفوسفور. في الثمانينات، بدأت المناقشات حول السمية والقضايا البيئية في مجال مثبطات اللهب، مما جعل الخصائص الخالية من الهالوجين وقمع الدخان وتقليل السمية أهدافًا جديدة لتطوير مثبطات اللهب. مع التقدم السريع في مواد البوليمر، أصبحت الأبحاث حول تقنيات وآليات مثبطات اللهب واسعة النطاق ومتعمقة بشكل متزايد.

تم إجراء الأبحاث والمناقشات حول تقنيات مثبطات اللهب المختلفة استنادًا إلى آليات مثبطات اللهب في الطور الغازي، ومثبطات اللهب في الطور المكثف، وانقطاع الحرارة. في السنوات الأخيرة، جذبت تقنيات مثبطات اللهب مثل مثبطات اللهب المركبة، ومثبطات اللهب التآزرية، ومثبطات اللهب الجزيئية الكبيرة الاهتمام. استنادًا إلى الأبحاث الحالية حول تقنيات مثبطات اللهب البوليمرية، تقدم هذه المقالة نظرة عامة على التقدم المحرز في هذه الأنواع من تقنيات مثبطات اللهب محليًا ودوليًا في السنوات الأخيرة.

I. تكنولوجيا مثبطات اللهب المركبة

1. هيدروكسيدات مزدوجة الطبقات (LDH)

الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات (LDHs) عبارة عن مواد نانوية غير عضوية ذات طبقات. لديهم تركيبة وبنية مماثلة لهيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)₃, ATH) وهيدروكسيد المغنيسيوم (Mg(OH)₂, MH)، مما يجمع بين مزايا كليهما. علاوة على ذلك، نظرًا لأنها لا تحتوي على أي مواد سامة، فهي تمثل مثبطًا مثاليًا للهب الأخضر مع خصائص إخماد الدخان. تتضمن آلية مثبطات اللهب في LDHs تحللها عند الاحتراق إلى CO₂ وH₂O وأكاسيد المعادن وما إلى ذلك. من ناحية، يمكن لـCO₂ وH₂O تخفيف الغازات القابلة للاحتراق وO₂، مما يخفض درجة حرارة الاحتراق. من ناحية أخرى، تسهل الأكاسيد المعدنية تكوين طبقة شار، والتي تعمل على العزل ضد O₂ والحرارة، مما يقلل من معدل تدهور الركيزة.

2. الأطر المعدنية العضوية النانوية (MOFs)

الأطر العضوية المعدنية هي مواد مسامية هجينة عضوية وغير عضوية ذات بنية شبكية، تتشكل من خلال التجميع الذاتي للروابط العضوية مع أيونات أو مجموعات معدنية. ويوضح هيكلها في الشكل.

يوفر تصميم الأطر العضوية المعدنية المرونة، كما أن هيكلها قابل للضبط. سواء تم تعديل الروابط العضوية أو موقع التنسيق المعدني، يمكن الحصول على الأطر العضوية المعدنية ذات الخصائص المرغوبة المحددة من خلال تعديلات التصميم الرشيد، مما يشير إلى آفاق تطبيقها الواسعة. تجمع إطارات زيوليت إيميدازوليت (ZIFs) بين مزايا الأطر العضوية المعدنية التقليدية والزيوليتات، مما يعرض أداءً ممتازًا. يتم تشكيل ZIFs من خلال التجميع الذاتي للعناصر الانتقالية مع بروابط عضوية تحتوي على حلقات إيميدازول. فهي سهلة التركيب، وتتمتع بثبات جيد، ولها قنوات مسام منتظمة، وهياكل متنوعة، ونشاط تحفيزي عالي.

3.سيلسكويوكسان متعدد السطوح قليل القسيم (POSS)

POSS هو نوع جديد من مثبطات اللهب القائمة على السيليكون مع بنية هجينة عضوية وغير عضوية، كما هو موضح في الشكل أدناه.

أثناء تحسين مثبطات اللهب للمواد، يمكن لـ POSS أيضًا أن يعزز بشكل فعال الخواص الميكانيكية وقابلية المعالجة والمقاومة للحرارة للبوليمرات. تتميز بخصائصها الهجينة العضوية غير العضوية، التي تشبه القفص، والبنية النانوية، ويمكن أن يؤدي دمج POSS في البوليمرات إلى تحسين مقاومتها للحرارة، وتثبيط اللهب، والخواص الميكانيكية، مع خفض ثابت العزل الكهربائي. تم تطبيق POSS ومشتقاته، كفئة من مثبطات اللهب الجديدة الخالية من الهالوجين للبوليمرات، على نطاق واسع.

4. الجرافين (GNS)

GNS عبارة عن مادة صفائحية نانوية ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. تظهر أدناه الهياكل التخطيطية لـ GNS وأكسيد الجرافين (GO).

يُظهر GNS ومشتقاته تثبيطًا جيدًا للهب بسبب التأثيرات النانوية. على وجه الخصوص، عند دمجها مع المواد النانوية غير العضوية كإضافات مثبطة للهب، يمكن أن تشكل GNS مواد مثبطة للهب متعددة الاستخدامات. بالمقارنة مع مثبطات اللهب التقليدية القائمة على الكربون مثل الجرافيت، والجرافيت القابل للتوسيع، وأكسيد الجرافيت، فإن هيكل الصفائح النانوية الفريدة ثنائية الأبعاد من GNS يوفر كفاءة أعلى في تثبيط اللهب. علاوة على ذلك، بالمقارنة مع أنابيب الكربون النانوية، فإن GNS غير مكلف نسبيًا، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات الصناعية.

تتضمن آلية مثبطات اللهب لـ GNS ومشتقاتها ما يلي:

(1) يمتلك كل من GNS وGO بنية فريدة ثنائية الأبعاد. أثناء الاحتراق، يمكن لـ GNS تعزيز تكوين طبقة شار كثيفة ومستمرة، تعمل كحاجز عازل مادي.

(2) يمنح الهيكل الطبقي GNS ومشتقاته مساحة سطحية كبيرة محددة، مما يمكّنها من امتصاص المركبات العضوية المتطايرة القابلة للاشتعال بشكل أكثر فعالية أو إعاقة إطلاق وانتشار هذه المواد العضوية المتطايرة.

(3) تحتوي GNS، وخاصة مواد GO، على مجموعات تفاعلية وفيرة على أسطحها. عند درجات الحرارة المنخفضة، تتحلل المجموعات المحتوية على الأكسجين في GO وتخضع لتفاعلات الجفاف. أثناء الاحتراق، يمكن للغازات الناتجة عن هذه التفاعلات أن تمتص كمية كبيرة من الحرارة، مما يخفض درجة حرارة مصفوفة البوليمر. في الوقت نفسه، يمكن للغازات المجففة أن تخفف تركيز O₂ حول اللهب، مما يحقق تأثيرًا مثبطًا للهب.

(4) يمكن أن يتفاعل GNS وGO مع السلاسل الجزيئية لمادة البوليمر، مما يشكل بنية شبكة ثلاثية الأبعاد. أثناء الاحتراق، يمنع هيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد هذا تقطر الذوبان، وبالتالي تعزيز تثبيط اللهب للمادة المركبة.

ثانيا. تكنولوجيا مثبطات اللهب التآزرية

واحدة من أحدث النقاط الساخنة للبحث والتطوير لمثبطات اللهب الخالية من الهالوجين على المستوى الدولي هي استخدام عناصر مثبطات اللهب المتعددة بشكل تآزري للتعويض عن أوجه القصور في مثبطات اللهب أحادية العنصر. يساعد هذا النهج على موازنة العلاقة بين جرعة مثبطات اللهب والأداء والتكلفة، مع تلبية المتطلبات البيئية ومتطلبات السلامة الصارمة بشكل متزايد. أجرى الباحثون دراسات مكثفة حول التأثيرات التآزرية لمختلف أنظمة مثبطات اللهب، مثل مثبطات اللهب التآزرية مع هيدروكسيدات المعادن، وتآزر الفوسفور والنيتروجين، وتآزر الفوسفور والسيليكون، وأنظمة الجسيمات النانوية المركبة.

1. مثبطات اللهب التآزرية مع هيدروكسيدات المعادن

وتشمل هيدروكسيدات المعادن ATH وMH. لا تنتج مثبطات اللهب الهيدروكسيدية أي مواد ضارة طوال عملية مثبطات اللهب بأكملها. علاوة على ذلك، يمكن لمنتجات التحلل الخاصة بها أيضًا امتصاص الغازات الضارة والدخان الناتج أثناء احتراق مواد البوليمر مع توفير مثبطات اللهب، مما يجعلها واحدة من أكثر مثبطات اللهب صديقة للبيئة. حاليًا، يتم تصنيف مثبطات اللهب المركبة الخالية من الهالوجين بشكل أساسي إلى مركبات ذات طبقات، ومركبات تحتوي على الفوسفور، وأكاسيد الأتربة النادرة، وما إلى ذلك.

2. مثبطات اللهب التآزرية بين الفوسفور والنيتروجين

أصبح التآزر بين الفوسفور والنيتروجين أحدث اتجاه في البحث والتطوير لمثبطات اللهب القائمة على الفوسفور والنيتروجين. لقد برز كواحد من أكثر الخيارات العملية لمثبطات اللهب الخالية من الهالوجين الصديقة للبيئة في العديد من المجالات. تتضمن آلية مثبطات اللهب الخاصة بها مجموعة من إجراءات الطور المكثف والمرحلة الغازية. عند التسخين أثناء الاحتراق، يتحلل مثبط اللهب لتكوين أحماض غير عضوية مثل حمض الفوسفوريك وحمض البوليفوسفوريك، والتي يمكن أن تخلق طبقة واقية على سطح الركيزة، مما يعزلها عن الهواء. وفي الوقت نفسه، عند التسخين، فإنه يطلق بسهولة غازات غير قابلة للاحتراق مثل الأمونيا والنيتروجين وبخار الماء وأكاسيد النيتروجين. تمنع هذه الغازات إمداد الأكسجين، مما يحقق هدف مثبطات اللهب. على سبيل المثال، تم تحضير مثبطات اللهب المنتفخة القابلة للذوبان في الماء من الفوسفور والنيتروجين (PEIPO) لرغوة البولي يوريثان المرنة المنفوخة بالماء باستخدام البولي إيثيلين أمين وسلائف وسيطة تحتوي على الفوسفور كمواد خام.

3. الأنظمة التآزرية الأخرى

يتم تفضيل مثبطات اللهب الألكيلفوسفينات بسبب ثباتها الحراري الجيد ومحتوى الفوسفور العالي وتأثيرها الممتاز في مقاومة اللهب. ومع ذلك، فهي باهظة الثمن نسبيًا، وعندما تستخدم بمفردها كمثبطات للهب، فإن الخواص الميكانيكية للمادة غالبًا ما تكون غير مثالية. ولذلك، فإنها تحتاج عادة إلى أن يتم تركيبها باستخدام جسيمات نانوية أو مثبطات اللهب غير العضوية. ألكيلفوسفينات الخطية أو المتفرعة هي النوع الأكثر استخدامًا على نطاق واسع بين مثبطات اللهب ألكيلفوسفينات. تم تطبيق ثنائي إيثيل فوسفينات الألومنيوم (AlPi) في مواد البوليمر مثل البوليستر والبولي أميد (PA).

على سبيل المثال، أظهرت مثبطات اللهب التآزرية للبولي أميد 6 (PA6) باستخدام AlPi وtriglycidyl isocyanurate (TGIC) أنه عندما يكون إجمالي جزء الكتلة المضافة من AlPi وTGIC 11%، مع نسبة كتلة من AlPi إلى TGIC عند 97:3، حققت المادة تصنيف UL-94 V-0 ومؤشر الأكسجين المحدود (LOI) قدره 30.3%.

في مثال آخر، أظهر مزج بولي فوسفات الأمونيوم (APP)، وهيبوفوسفيت الألومنيوم (AHP)، وسيانورات الميلامين (MCA) كإضافة مركبة لمثبطات اللهب مع مادة البولي بروبيلين (PP) أنه تم تحقيق تأثير مثبطات اللهب المثالي مع كتلة مثبطات اللهب الإجمالية بنسبة 30% ونسبة كتلة m(APP):m(AHP):m(MCA) = 4:1:1. في ظل هذه الظروف، كان لـ PP المثبط للهب خطاب اهتمام بنسبة 33% ووصل إلى تصنيف UL-94 V-0.

ثالثا. تكنولوجيا مثبطات اللهب الجزيئية

يتم إنتاج مثبطات اللهب ذات الجزيئات الكبيرة عن طريق ربط هياكل مثبطات اللهب ذات الجزيئات الصغيرة من خلال التفاعلات الكيميائية، مما يؤدي إلى مركبات جزيئية كبيرة غنية بالعناصر المثبطة للهب وتظهر تفاعلًا جيدًا مع البوليمرات.

على سبيل المثال، تم تصنيع مثبط اللهب الهجين غير العضوي-العضوي الجزيئي الكبير، سداسي-[4-(N-فينيلامين-دوبو-ميثيلين)فينوكسي]سيكلوتريفوسفاتازين (DOPO-PCP)، من خلال تفاعلات الاستبدال والتكثيف والإضافة. تم بعد ذلك استخدام DOPO-PCP لتثبيط لهب DGEBA. في حالة أخرى، تم إدخال مجموعات أمين معاقة ذات وظيفة التبريد الجذرية الحرة في مثبطات اللهب المنتفخة (IFR) لإعداد مثبطات لهب منتفخة جزيئية كبيرة جديدة (HAPN) مع قدرة التبريد الجذرية الحرة. ثم تم تفاقم هذا باستخدام APP لتثبيط اللهب PP.

لقد تطورت مثبطات اللهب بشكل ملحوظ جنبًا إلى جنب مع الاستخدام الواسع النطاق لمواد البوليمر. مع زيادة الوعي البيئي، هناك سعي مستمر لمثبطات اللهب الصديقة للبيئة التي توفر كفاءة عالية، وغير سامة وغير ضارة، وتتمتع بتوافق جيد مع البوليمرات، وانخفاض الهجرة، والتكلفة المنخفضة. تظهر أنواع جديدة من مثبطات اللهب باستمرار، ويتم أيضًا تطبيق بعض التقنيات الناشئة بشكل مستمر في أبحاث وإنتاج مثبطات اللهب. يتقدم تطوير مثبطات اللهب التآزرية وتقنيات مثبطات اللهب الجزيئية الكبيرة نحو كفاءة أعلى، وسمية أقل، وملاءمة أكبر للبيئة.

تشمل الاتجاهات البحثية المستقبلية في تكنولوجيا مثبطات اللهب دراسات حول التصميم فائق الدقة، وتصميم الكبسلة الدقيقة، والتركيب والتآزر بين مثبطات اللهب المختلفة، والتصميم الهيكلي لمثبطات اللهب الجزيئية الكبيرة، وتقنيات تعديل السطح لمواد البوليمر المثبطة للهب. مع تقدم الأبحاث حول تكنولوجيا مثبطات اللهب محليًا ودوليًا، فإن صناعة مثبطات اللهب تستعد لتطور قوي.