لطالما حظي البولي يوريثين الحراري (TPU) بتقدير كبير لمقاومته الاستثنائية للتآكل والالتصاق وقابليته للمعالجة، مما يجعله مادة مفضلة في الصناعات التي تتراوح من السيارات إلى الفضاء. ومع ذلك، فإن قابليته للاشتعال العالية وانبعاثات الدخان الكبيرة أثناء الاحتراق قد حدت من تطبيقاته في قطاعات النقل والكهرباء والمنسوجات.
الجسيمات النانوية: مفتاح تعديل TPU
أدى ظهور الجسيمات النانوية إلى فتح إمكانيات جديدة لتعزيز مثبطات اللهب في TPU. أظهرت مواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والصفائح النانوية الجرافينية (GNPs) وكبريتيد الموليبدينوم (MoS
2
) وأكسيد الجرافين (GO) تحسينات كبيرة في مقاومة الحريق في TPU. على سبيل المثال:
-
أظهرت المركبات النانوية TPU/رغوة الجرافين (TPU/GF) المحضرة عن طريق التسريب انخفاضًا بنسبة 35.1٪ في معدل إطلاق الحرارة الأقصى (PHRR) مقارنة بـ TPU النقي.
-
حقق TPU مع 2.0٪ وزني من MoS الوظيفي
2
انخفاضًا بنسبة 45.4٪ في PHRR.
-
أظهرت المركبات النانوية TPU المملوءة بـ 2.7٪ وزني من GNPs انخفاضًا بنسبة 41.1٪ في PHRR.
المقايضة: مثبطات اللهب مقابل الخصائص الميكانيكية
في حين أن الجسيمات النانوية تعمل على تحسين مثبطات اللهب، فإنها غالبًا ما تضر بمتانة ومرونة TPU. وقد دفع هذا المقايضة إلى البحث عن حل يعزز في نفس الوقت السلامة من الحرائق والأداء الميكانيكي.
MXene: مادة جديدة واعدة
اكتسب MXene (Ti
3
C
2
T
x
)، وهي مادة ثنائية الأبعاد، اهتمامًا بخصائصها الكهرضغطية والميكانيكية والإلكترونية. تشير الدراسات إلى إمكاناتها في المركبات النانوية البوليمرية المثبطة للهب:
-
أدى إضافة 2.0٪ وزني من Ti
3
C
2
T
x
إلى راتنج البوليستر غير المشبع إلى تقليل PHRR وإجمالي إنتاج أول أكسيد الكربون (COTY) بنسبة 29.6٪ و 31.6٪ على التوالي.
-
حققت المركبات النانوية TPU/Ti
3
C
2
T
x
مع 3.0٪ وزني من Ti المقشر
3
C
2
T
x
انخفاضًا بنسبة 51.4٪ في معدل إنتاج الدخان الأقصى (PSPR) وانخفاضًا بنسبة 57.1٪ في COTY.
على الرغم من خصائصه المثبطة للهب الرائعة، فإن قدرة MXene على تعزيز الأداء الميكانيكي لا تزال محدودة.
DOPO-HQ: ميزة الفوسفور العضوي
أظهر DOPO-HQ (10-(2,5-dihydroxyphenyl)-9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide)، وهو مركب فوسفور عضوي، وعدًا كمادة مالئة نانوية. فهو لا يعمل فقط على تحسين مثبطات اللهب ولكنه يعزز أيضًا الخصائص الميكانيكية. على سبيل المثال:
-
قلل GO الوظيفي بـ DOPO-HQ (FGO-HQ) من إجمالي إطلاق الحرارة (THR) وإجمالي إطلاق الدخان (TSR) للمركبات النانوية لحمض البوليلاكتيك بنسبة 43.0٪ و 83.0٪ على التوالي، مع الحفاظ على أداء ميكانيكي ممتاز.
-
عملت الأوليغومرات الجديدة القائمة على DOPO-HQ ومجموعات الفيروسين (PFDCHQ) على تحسين السلامة من الحرائق ومعامل يونغ للمركبات الإيبوكسي/PFDCHQ بشكل كبير.
التأثيرات التآزرية: الجمع بين MXene و DOPO-HQ
لمعالجة قيود MXene، استكشف الباحثون الجمع بين Ti
3
C
2
T
x
و DOPO-HQ. تم استخدام نهج التجميع الذاتي المستحث بالرابطة الهيدروجينية لتجميع مادة نانوية جديدة (Ti
3
C
2
T
x
-D-H)، والتي تم دمجها بعد ذلك في TPU.
النتائج: تعزيز الأداء الشامل
كشفت الدراسة أن إضافة 2.0٪ وزني فقط من Ti
3
C
2
T
x
-D-H إلى TPU قللت بشكل كبير من إطلاق الحرارة والدخان مع تحسين قوة الشد والمتانة. تشمل النتائج الرئيسية ما يلي:
-
مثبطات اللهب:
تم تقليل PHRR وانبعاثات الدخان بشكل ملحوظ، مما يعزز السلامة من الحرائق.
-
الخصائص الميكانيكية:
تحسنت قوة الشد والاستطالة عند الكسر وقوة التأثير.
-
الاستقرار الحراري:
أظهر تحليل الوزن الحراري (TGA) زيادة في درجات حرارة التحلل الحراري، مما يشير إلى أداء أفضل في درجات الحرارة المرتفعة.
الآليات: كيف يعمل Ti
3
C
2
T
x
-D-H
تنبع فعالية المادة النانوية من آليات تآزرية متعددة:
-
الحاجز المادي:
يعزز Ti
3
C
2
T
x
حاجزًا يبطئ انتشار الحرارة والدخان.
-
مثبطات اللهب الكيميائية:
يطلق DOPO-HQ جذور الفوسفور التي تمنع الاحتراق.
-
تكوين الفحم:
يعزز DOPO-HQ التفحم، مما يخلق طبقة واقية تمنع الحرارة والأكسجين.
-
التعزيز الميكانيكي:
يعزز Ti
3
C
2
T
x
القوة، بينما يحسن DOPO-HQ التشتت والمتانة.
التطبيقات: توسيع آفاق TPU
يفتح هذا الاختراق الأبواب أمام TPU في:
-
النقل:
الداخلية المقاومة للحريق للسيارات، ومكونات الطائرات، ومقاعد السكك الحديدية عالية السرعة.
-
الإلكترونيات:
الكابلات والأغلفة ومواد العزل المقاومة للهب.
-
المنسوجات:
الملابس الواقية والأقمشة المقاومة للحريق.
-
البناء:
الطلاءات المقاومة للحريق ومواد البناء.
الخلاصة: عهد جديد لـ TPU
يمثل تطوير Ti
3
C
2
T
x
-D-H تقدمًا كبيرًا في تعديل TPU، مما يوفر تحسينًا متوازنًا في مثبطات اللهب والخصائص الميكانيكية. يمهد هذا الابتكار الطريق لتطبيقات أوسع لـ TPU عبر الصناعات، مما يضمن السلامة والأداء على حد سواء.
