تطبيق وآفاق تكنولوجيا النانو في المواد المثبطة للهب

تطبيق وآفاق تكنولوجيا النانو في المواد المثبطة للهب

حاليًا، تُستخدم البوليمرات مثل البلاستيك والمطاط والألياف على نطاق واسع، لكن قابليتها للاشتعال تسببت في بعض التأثير على استخدامها والترويج لها.على الرغم من أن المواد المثبطة للهب تلعب دورًا إيجابيًا في منع الاحتراق، وإبطاء انتشار الحريق، والنضال من أجل الهروب ووقت الإنقاذ إلى حد ما، إلا أنها أيضًا تعاني من نقص في الخواص الميكانيكية، وفعالية التكلفة، والتلوث البيئي، وما إلى ذلك.

مع تطبيق المواد النانوية في العديد من المجالات مثل الميكانيكا، والكهرومغناطيسية، وعلم الحرارة، والبصريات، وما إلى ذلك، تظهر تكنولوجيا النانو والمواد النانوية آفاقًا واسعة للتنمية.إن البحث والتطوير للمواد المقاومة للهب النانوية يفضي إلى التغلب على أوجه القصور في المواد التقليدية وتحسينها، مما يعني آثار اجتماعية كبيرة وفوائد اقتصادية.

1. مقدمة للمواد النانوية

تشير المواد النانوية إلى المواد ذات مقياس النانومتر في الهيكل والخصائص الوظيفية المقابلة لها، 1 نانومتر هو جزء من المليار من المتر، ويشير مقياس النانو بشكل عام إلى 1 ~ 100 نانومتر.عندما يدخل هيكل المواد وحجم جسيماتها في نطاق مقياس النانومتر، فإنها تظهر مجموعة متنوعة من المؤثرات الخاصة، مثل تأثير السطح، وتأثير الحجم الصغير، وتأثير الحجم الكمي، وتأثير نفق الكم المجهري، مما يجعل المواد عرض مجموعة متنوعة من الوظائف الغريبة.

يمكن تصنيف المواد النانوية إلى مواد معدنية نانوية، ومواد نانوية غير معدنية، ومواد بوليمرية نانوية، ومواد نانوية وفقًا لموادها.إن الجمع بين تقنية النانو ومجموعة متنوعة من المواد يغير بشكل كبير الخصائص الشاملة للمواد ويوفر دعمًا فنيًا قويًا لتحسين وظيفة المواد بشكل أكبر.

2. تصنيف واشتراطات المواد المثبطة للهب

يمكن تقسيم المواد المثبطة للهب إلى مواد غير عضوية وعضوية، مهلجنة وخالية من الهالوجين وأنواع أخرى.تشير المواد غير العضوية بشكل أساسي إلى هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم والسيليكون وثالث أكسيد الأنتيمون وغيرها من أنظمة المواد المثبطة للهب، والنظام العضوي بشكل رئيسي الهالوجين والنيتروجين والفوسفور، والذي من خلال التركيب أو التفاعل لتشكيل مواد مركبة مضافة أو تفاعلية، والتي بدورها لعب دور مثبطات اللهب.

بالمقارنة، تتمتع المواد غير العضوية المثبطة للهب بمزايا التكلفة المنخفضة، والخواص الحرارية الجيدة، والغازات الأقل سمية أثناء الاحتراق، ولكن لها أيضًا خصائص ميكانيكية سيئة، وحشو كبير، وضعف التوافق مع الركيزة وغيرها من العيوب.

تتميز المواد العضوية المثبطة للهب بخصائص مثبطة للهب جيدة، وتوافق جيد مع الركيزة، والحشو الصغير، وما إلى ذلك، ولكنها تحتوي على كمية كبيرة من الدخان والغازات السامة أثناء الاحتراق والعيوب الأخرى.ولذلك، فإن تطوير خصائص فيزيائية وميكانيكية منخفضة الدخان ومنخفضة السمية وخالية من الهالوجين لمواد مثبطات اللهب الصديقة للبيئة كان موضوع بحث مهم، وظهور وتطوير تكنولوجيا النانو لحل العيوب الموجودة في مثبطات اللهب. توفر المواد الممكنة.

تظهر الأبحاث أن المواد النانوية المثبطة للهب يجب أن تلبي المتطلبات التالية: أولاً، يجب أن تلبي المواد متطلبات حماية البيئة، وتنتج غازات أقل سمية أثناء الاحتراق.ثانيًا، يجب أن تتميز المواد بوظيفة قوية وكفاءة عالية في مقاومة اللهب، وفي الوقت نفسه، يجب أن تتغلب على العيوب الموجودة في الخواص الميكانيكية والفيزيائية للمواد المثبطة للهب التقليدية وتوسيع نطاق تطبيق المواد.ثالثا، ينبغي تخفيض التكلفة الشاملة لتعزيز فعالية تكلفة المواد.

3. أنواع المواد المقاومة للهب النانوية

يمكن الحصول على مواد مثبطات اللهب النانوية عن طريق تحسين جزيئات مثبطات اللهب التقليدية إلى مستوى نانومتر وتطبيقها على المواد ذات الصلة.إن تطبيق تكنولوجيا النانو، والحصول على جزيئات النانو والتأثيرات المتعددة الفريدة للمقياس النانوي يعزز بشكل كبير التوافق بين مثبطات اللهب والمواد، مما يقلل من كمية تطبيق مثبطات اللهب إلى حد ما، ولكنه يعمل أيضًا على تحسين خصائص مثبطات اللهب وتعزيز التكلفة. -فعالية المواد المثبطة للهب.في الوقت الحاضر، مركبات مثبطات اللهب النانوية شائعة الاستخدام والتي تم تطويرها هي تقريبًا كما يلي.

3.1 المواد النانوية الطينية البوليمرية

تشتمل مواد مثبطات اللهب النانوية الطينية على مواد خام مثل المونتموريلونيت المعدني من الطين الكاتيوني، وهيدروكسيد ثنائي المعدن ذو طبقات معدنية من الطين الأنيوني، والكاولينيت المعدني الطيني غير الأيوني، وما إلى ذلك، والتي يتم تعديلها بمساعدة طريقة الإقحام للحصول على مواد مثبطة للهب مركبة تكون فعالة بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) والبولي بروبيلين (PP).

تحتوي طبقات سيليكات مثبطات اللهب الطينية على طبقة متفحمة، والتي يمكنها التقاط بعض الجذور الحرة عند درجة حرارة عالية، مما يحسن خاصية مثبطات اللهب للمادة مع تغيير الخاصية الميكانيكية للمادة، وتجنب العيوب مثل كمية كبيرة من الدخان، الغازات المسببة للتآكل والسامة أثناء الاحتراق مع إضافة مثبطات اللهب المهلجنة.في حالة نشوب حريق، تعمل طبقة الكربنة السيليكات على إبطاء معدل هروب المواد المتطايرة من المادة أثناء الاحتراق مما يجعل المواد النانوية الطينية في عملية تحلل الطور المكثف للمواد المتطايرة ذات معدل تدفق منخفض.

3.2 مواد نانو هيدروكسيد المغنسيوم المقاومة للهب

تعد المواد المثبطة للهب من هيدروكسيد المغنيسيوم النانوية ومثبطات اللهب وتوليد الدخان والتوافق مع الركيزة والخصائص الأخرى أفضل من الخصائص المقابلة لمواد مثبطات اللهب من هيدروكسيد المغنيسيوم بحجم ميكرون.تحت جرعة معينة، يمكن لجسم مثبطات اللهب بهيدروكسيد المغنيسيوم النانوي أن يصل إلى مستوى V-0 القياسي UL94.

مزايا هيدروكسيد المعدن نفسه واضحة، والمفتاح هو إضافة كمية كبيرة نسبيًا، عادة أكثر من 60٪، وحجم الحشو العالي على الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمواد المثبطة للهب لها تأثير أكبر، وتكنولوجيا النانو مجرد وسيلة جيدة الحل للتشتت والتوافق بين مثبطات اللهب والمصفوفة، وقد أدى الجمع بين التقنيتين إلى تعزيز كبير في تطبيق مثبطات اللهب هيدروكسيد المغنيسيوم والمواد المثبطة للهب بعد خصائص مثبطات اللهب.تتمتع مواد مثبطات اللهب بهيدروكسيد المغنيسيوم النانوي بمجموعة واسعة من الخصائص الممتازة مثل عدم الهالوجين، والدخان المنخفض، وغير السامة، وغير المتساقطة، ومقاومة الأحماض، والاستقرار الجيد، ودرجة حرارة التحلل العالية، والمعدات غير القابلة للتآكل، وما إلى ذلك، والتي لديها احتمال تطبيق واسع.

3.3 مركبات كربونات الكالسيوم النانوية

باستخدام مسحوق نانوي من كربونات الكالسيوم المطلي بستانات الزنك وتطبيقه على كلوريد البوليفينيل (PVC)، يتم الحصول على حجم جسيمات المنتج من 40 إلى 60 نانومتر، مما يقلل من كمية الملدنات في PVC ويحسن أداء المعالجة للمنتج، إلى جانب المحتوى العالي من الكلور. ومثبط اللهب العالي للـ PVC الصلب نفسه، يمكن أن يصل مؤشر الأكسجين المحدود (LOI) إلى 45٪، ويتم الحصول على مركبات مثبطة للهب ممتازة.

تحتوي أيضًا جسيمات كربونات الكالسيوم النانوية / البوليسترين (PS) المعالجة بحمض الميثاكريليك في الموقع على حجم جسيم يبلغ 100 نانومتر أو أقل، ولها أيضًا خصائص مثبطة للهب جيدة.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تطبيقها على الأحماض الدهنية وعامل اقتران تيتانات وكربونات الكالسيوم النانوية بعد معالجة السطح للحصول على مركبات البولي بروبيلين / كربونات الكالسيوم النانوية، بعد التجربة والتطبيق، للحفاظ على خصائص مثبطات اللهب أفضل على أساس الخواص الميكانيكية. تم تحسين المادة بشكل كبير، كما تم تحسين قوة تأثير المادة.

3.4 المواد المثبطة للهب بأكسيد الأنتيمون النانوي

تتميز المواد البلاستيكية المقاومة للهب بأكسيد الأنتيمون النانوي بخصائص مثبطة للهب عالية، ودخان منخفض، وأداءها أفضل من الأداء المقابل للمواد البلاستيكية التقليدية، وهي مناسبة للاستخدام في المنسوجات.يتم استخدام جزيئات أكسيد الأنتيمون النانوية بكميات صغيرة ولن تسد فتحات المغازل في الماكينة، مما يجعل المنسوجات مثبطة للهب.

بالإضافة إلى ذلك، تحتوي مادة أكسيد الأنتيمون النانوية على مساحة سطحية كبيرة محددة، وأداء اختراق بعض المنسوجات جيد، ولها التصاق قوي، كما أن مادة النسيج الناتجة لها أيضًا ثبات جيد للغسيل، وليس من السهل أن تتلاشى.تتميز جزيئات أكسيد الأنتيمون النانوية بمزايا التكلفة المنخفضة، وصغر حجم الجسيمات المتوسطة، والتشتت الموحد في مواد البوليستر، والتوافق الجيد.

3.5 EVA/مركبات نانوية من السيليكا

اكتسبت بوليمرات السيليكا المعدلة نانوية تطبيقًا واسع النطاق نظرًا لحقيقة أن المركبات النانوية التي تم الحصول عليها بعد التحجيم النانوي والتعديل تتمتع بمجموعة متنوعة من المزايا مثل الوزن الخفيف والقوة العالية والمتانة العالية.

تشكل طبقة حشو النانو في المركبات النانوية من النوع EVA طبقة عزل خارج طبقة البوليمر الداخلية، مما يقوي عملية التفحم، ويطيل عملية تحلل المادة، وينتج معدل إطلاق حرارة منخفض للغاية كما تم قياسه بـ المسعر المخروطي، ويحسن بشكل كبير خصائص مثبطات اللهب مقارنة بالمواد المثبطة للهب التقليدية.

من حيث الخواص الميكانيكية، فقد تبين أن نسبة ملء الحجم في مركبات السيليكا EVA هي 4%، وأن المادة المركبة لديها أعلى قوة شد، وهي حوالي ضعف قوة المصفوفة، مما يكشف أيضًا بشكل كامل الدور الهام لتقنية النانو في تعزيز الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمواد المركبة.

4. التقدم في عملية تحضير مواد النانو المقاومة للهب

أما طرق تحضير المواد النانوية فهي بشكل رئيسي كما يلي:

① طريقة سول جل.طريقة Sol-gel هي طريقة تحضير أكثر شيوعًا لتحضير المواد النانوية.وتتمثل العملية في: إذابة أكاسيد المعادن أو الأملاح المعدنية في الماء، من خلال تفاعل التحلل المائي، وتكوين جزيئات نانوية تشبه السول، ثم يتبخر المذيب، وبعد ذلك يتكون جسم هلامي.وينتج عن هذا تكوين بوليمرات عضوية وجزيئات غير عضوية تتداخل مع بنية مرتبة متعددة الطبقات من المواد المثبطة للهب.طريقة التفاعل الكيميائي خفيفة، حيث يتم خلط المكونات غير العضوية والمكونات العضوية مع بعضها البعض، ويكون الهيكل متقاربًا، ولكن هناك أيضًا عيوب مثل سهولة انكماش المواد وهشاشتها عند تجفيف الجل.

② طريقة الهطول المشترك.تشير طريقة الترسيب المشترك إلى التكوين المسبق للجسيمات النانوية غير العضوية والبوليمرات العضوية الممزوجة بطريقة الترسيب لتكوين مواد مثبطة للهب.في هذه الطريقة، يتم إنتاج الجسيمات النانوية وتخليق المواد بشكل منفصل، ويمكن التحكم بشكل جيد في حجم وبنية الجسيمات النانوية، في حين يتم توزيع الجسيمات النانوية بشكل موحد في البوليمر، مع أداء شامل جيد.ومع ذلك، من السهل تكتل الجسيمات النانوية بهذه الطريقة، كما أن تشتيت الجسيمات النانوية بشكل موحد هو المشكلة الأكبر.يمكن تقسيم طريقة الترسيب المشترك إلى طريقة الترسيب المشترك للمحلول، وطريقة الترسيب المشترك للمستحلب، وطريقة الترسيب المشترك الذائبة وطرق أخرى.

③ طريقة الاستيفاء.تتمثل عملية الإقحام في تحويل الجسيمات النانوية إلى طبقات، ثم إدخالها في طبقة البوليمر العضوي، مما يؤدي إلى تحقيق مركب نانوي.هناك أنواع مختلفة من هذه الطرق مثل طريقة إقحام البلمرة، وطريقة إقحام الذوبان، وطريقة إقحام المحلول.

④ طريقة البلمرة المشتركة في الموقع.تشير طريقة البلمرة المشتركة في الموقع إلى التشتت الموحد للجسيمات النانوية في المحلول، ثم بمساعدة التسخين والإشعاع وغيرها من الوسائل، بحيث يتم بلمرة البوليمر والجسيمات النانوية وسلسلة من التفاعلات الأخرى، وأخيرًا الحصول على تشتت اللهب على المستوى النانوي. المواد المثبطة.تتميز المواد المثبطة للهب التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة بمزايا خصائص الجسيمات النانوية الجيدة وحاجز المحتوى الحراري المنخفض بين الطبقات. ⑤ طريقة التجميع الذاتي في الموقع.تشير طريقة التجميع الذاتي في الموقع إلى استخدام جزيئات البوليمر والجسيمات النانوية بين القوة بين الجزيئات، والقوة الكهروستاتيكية بين الطبقات، وما إلى ذلك، والتجميع الذاتي في الموقع، وتوليد نوى بلورية رئيسية غير عضوية، وأخيرًا سيتم إنشاء البوليمر بواسطة الكريستال محاطة.تعد هذه الطريقة لتركيب المركبات النانوية ثنائية الهيدروكسي أكثر ملاءمة ويمكن توزيع الطور النانوي بطريقة منظمة.

5. احتمال استخدام مواد مثبطة للهب النانوية

في مجال مثبطات اللهب، فإن مثبطات اللهب المضافة غير العضوية لها التطبيق المبكر والكمية الأكبر.مثل نظام الأنتيمون ونظام الألومنيوم ونظام الفوسفور ومثبطات اللهب لنظام البورون وما إلى ذلك.ومع ذلك، في الوقت الحاضر، هناك مشاكل رئيسية مثل ضعف التوافق بين مثبطات اللهب والمواد الأساسية والتأثير الكبير على الخواص الفيزيائية والميكانيكية.تظهر الأبحاث أن استخدام تكنولوجيا النانو يمكن أن يحسن مثبطات اللهب والخواص الميكانيكية للمنتجات البلاستيكية، ويقوي مثبطات اللهب والقدرة الاستاتيكية لمنتجات الألياف، ويقوي مثبطات اللهب للمنتجات المطاطية ويقلل من إطلاق الغازات السامة وكمية الدخان أثناء الإحتراق.يمكن للمواد النانوية المثبطة للهب أن تحسن بشكل كبير الأداء الشامل للمواد المثبطة للهب غير العضوية بمساعدة تقنية النانو على أساس مزايا المواد المثبطة للهب غير العضوية مثل الهالوجين المنخفض أو غير الهالوجين والدخان المنخفض والتآكل المنخفض .

بالإضافة إلى ذلك، سيتم أيضًا تطوير المواد المقاومة للهب النانوية من حيث تحسين الاستقرار الحراري للمواد، وتقليل تكتل المواد المستخدمة، وتعزيز تحسين الجرعة وحجم الجسيمات والبنية الصفائحية والمركب بين المواد. مثبطات اللهب والمواد، وتحسين تخزين ونقل المواد وعملية إضافتها، وتعزيز تأثير مثبطات اللهب للمواد، وتعزيز الوظائف المتعددة للمواد، وما إلى ذلك.إن تعزيز البحث في البنية المجهرية وآلية تشكيل المواد المركبة مثبطات اللهب النانوية، وتفاصيل آلية مثبطات اللهب للمواد والنظريات الأساسية الأخرى، والتسريع المستمر في تطوير أعمال المواد النانوية المثبطة للهب في شروق الشمس، يفضي إلى التنفيذ السلس والتوسع في تصنيع المنتجات ذات الصلة.

باختصار، تتمتع مواد مثبطات اللهب النانوية بأداء جيد لتثبيط اللهب، وتأثير جيد لحماية البيئة، وغازات أقل سمية يتم إطلاقها أثناء الاحتراق، وجرعة تعبئة أقل، وتميل المنتجات إلى أن تكون ذات خصائص تطوير متعددة الوظائف، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع في السيارات والطيران والأجهزة المنزلية الإلكترونية وغيرها من الصناعات، ولها مساحة كبيرة للتطوير.

ومع ذلك، فإن تطوير المواد المقاومة للهب النانوية لا يزال هناك العديد من المشكلات العملية التي تحتاج إلى حل، مثل التحكم في مورفولوجيا الجسيمات النانوية، وعملية توزيع الجسيمات النانوية، ووحدة الوظائف المتعددة.من المعتقد أنه مع التقدم المستمر في علوم وتكنولوجيا مواد البوليمر، ومع ظهور تكنولوجيا النانو وتطبيقها وتطورها السريع، فإن البحث في المواد المقاومة للهب النانوية سيحقق بالتأكيد تقدمًا كبيرًا، ويوفر مادة صلبة وتكنولوجية. ضمان حماية أفضل لحياة الناس وممتلكاتهم.