جنگ نانو با آتش؛ راهکار MOFها برای ایمنسازی پلاستیکها
پژوهشگران با بررسی نقش یک ماده متخلخل موسوم به ZIF-۶۷ در ترکیب با بازدارندههای شعله مبتنی بر فسفر، رس و کربن، راهکاری امیدوارکننده برای کاهش اشتعالپذیری، آزادسازی گرما و تولید دود در مواد پلیمری معرفی کردهاند. این مواد متخلخل چارچوبی میتوانند با بهبود پراکنش اجزای بازدارنده شعله و کمک به تشکیل لایههای کربنی محافظ هنگام سوختن، مسیر انتقال گرما و انتشار محصولات قابلاحتراق را محدود کنند.
به گزارش سیناپرس، پلاستیکها و مواد پلیمری به بخش جداییناپذیر زندگی مدرن تبدیل شدهاند. وزن کم، دوام مناسب، قابلیت شکلدهی آسان و هزینه نسبتاً پایین باعث شده است این مواد در طیف گستردهای از محصولات، از تجهیزات روزمره گرفته تا قطعات صنعتی و سامانههای پیشرفته، مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، بسیاری از پلیمرها در معرض حرارت و شعله بهسرعت مشتعل میشوند و هنگام سوختن میتوانند مقدار زیادی گرما و دود آزاد کنند. همین ویژگی، ایمنی آتش مواد پلیمری را به یکی از چالشهای مهم در توسعه نسل جدید این مواد تبدیل کرده است.
اکنون پژوهشگران در یک مطالعه مروری منتشرشده در نشریه Advanced Nanocomposites، راهکارهای مختلف استفاده از ZIF-۶۷ را برای افزایش ایمنی مواد پلیمری در برابر آتش بررسی کردهاند. ZIF-۶۷ یکی از انواع چارچوبهای فلزی-آلی (Metal-Organic Framework; MOF) است؛ موادی متخلخل که ساختار قابلتنظیم آنها امکان استفاده در حوزههای مختلف علمی و مهندسی را فراهم میکند.
در این بررسی، پژوهشگران بر این موضوع تمرکز کردهاند که چگونه میتوان ZIF-۶۷ را در کنار سامانههای مختلف بازدارنده شعله (Flame Retardant) بهکار گرفت تا عملکرد ضد حریق مواد پلیمری افزایش یابد. هدف اصلی، ایجاد یک اثر همافزا میان ساختار متخلخل ZIF-۶۷ و سایر اجزای بازدارنده شعله است؛ بهگونهای که ترکیب نهایی بتواند همزمان چند مسیر مؤثر در گسترش آتش را مهار کند.
یِهتانگ پان (Ye-Tang Pan)، نویسنده مسئول پژوهش، معتقد است ZIF-۶۷ به دلیل ساختار متخلخل، شیمی قابلتنظیم و وجود جایگاههای فعال حاوی کبالت، بستر مناسبی برای ترکیب با انواع مواد بازدارنده شعله فراهم میکند. در این رویکرد، ZIF-۶۷ میتواند در کنار مواد مبتنی بر فسفر، رس و کربن قرار گیرد و سامانههایی چندجزئی برای محافظت بهتر پلیمر در برابر گرما، شعله و دود ایجاد کند.
یکی از ویژگیهای مهم ZIF-۶۷، ساختار متخلخل آن است. وجود این منافذ میتواند به پراکنش بهتر اجزای بازدارنده شعله درون ماتریس پلیمری کمک کند. پراکنش یکنواختتر این مواد باعث میشود ترکیبات محافظ در بخشهای بیشتری از ماده حضور داشته باشند و بتوانند در هنگام مواجهه با حرارت، عملکرد مؤثرتری از خود نشان دهند.
نقش دیگر ZIF-۶۷ به وجود جایگاههای حاوی کبالت مربوط میشود. بر اساس بررسی پژوهشگران، این جایگاهها میتوانند در جریان احتراق به تشکیل لایههای کربنی محافظ کمک کنند. چنین لایهای مانند یک سد عمل میکند و میتواند انتقال گرما از شعله به بخشهای داخلی ماده را کاهش دهد. همچنین تشکیل این لایه محافظ میتواند خروج ترکیبات قابلاحتراق از پلیمر را محدود کند و در نتیجه روند گسترش آتش کاهش یابد.
تأثیر این سازوکار تنها به کاهش اشتعالپذیری محدود نمیشود. کاهش سرعت انتقال گرما و محدودشدن انتشار محصولات قابلاحتراق میتواند میزان دود تولیدشده هنگام سوختن پلیمر را نیز کاهش دهد. این موضوع از نظر ایمنی اهمیت ویژهای دارد؛ زیرا در بسیاری از آتشسوزیها، دود و محصولات حاصل از تجزیه مواد میتوانند خطرات جدی ایجاد کنند.
پژوهشگران در این مطالعه مجموعهای از راهبردهای ساخت نانوکامپوزیتهای پلیمری مبتنی بر ZIF-۶۷ را نیز بررسی کردهاند. از جمله این روشها میتوان به اختلاط مستقیم، رشد درجا (In-situ Growth)، اچکردن و تبدیل ZIF-۶۷ به مشتقات کربنی اشاره کرد. هر یک از این رویکردها میتواند امکان کنترل متفاوتی بر ساختار نهایی و نحوه توزیع اجزای بازدارنده شعله در ماتریس پلیمری فراهم کند.
یکی از نکات مهم این بررسی، توجه به اثر همافزایی میان مواد مختلف است. در یک سامانه چندجزئی، هر ماده میتواند بخشی از فرایند احتراق را هدف قرار دهد. برای مثال، یک جزء ممکن است در تشکیل لایه محافظ نقش داشته باشد، در حالی که جزء دیگر انتقال گرما یا انتشار ترکیبات قابلاحتراق را محدود کند. ترکیب این عملکردها میتواند در مقایسه با استفاده جداگانه از هر ماده، حفاظت جامعتری در برابر آتش ایجاد کند.
این رویکرد همچنین میتواند امکان تولید پلیمرهایی با عملکردهای چندگانه را فراهم کند. پژوهشگران معتقدند نانوکامپوزیتهای مبتنی بر ZIF-۶۷، علاوه بر افزایش مقاومت در برابر آتش، میتوانند ویژگیهای دیگری مانند محافظت الکترومغناطیسی و مدیریت حرارتی نیز داشته باشند. به این ترتیب، هدف تنها ساخت مادهای با قابلیت دیرسوزی بیشتر نیست، بلکه توسعه پلیمرهایی است که بتوانند همزمان چند نیاز فنی را پاسخ دهند.
با وجود این ظرفیتها، استفاده گسترده از چنین موادی همچنان به توسعه فناوری ساخت در مقیاس بزرگ نیاز دارد. یکی از مسیرهای مهم تحقیقات آینده، طراحی روشهای آمادهسازی مقیاسپذیر و اقتصادی است؛ زیرا فرآیندی که در مقیاس آزمایشگاهی عملکرد مناسبی دارد، الزاماً برای تولید صنعتی مناسب نیست.
پژوهشگران همچنین بر ضرورت بررسی دقیق تغییرات ساختاری ZIF-۶۷ و نانوکامپوزیت در حین احتراق تأکید کردهاند. شناخت اینکه ساختار ماده هنگام افزایش دما و قرارگرفتن در معرض شعله چگونه تغییر میکند، میتواند به طراحی هدفمندتر مواد بازدارنده شعله کمک کند.
به نقل ازاز ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، در نهایت توسعه مواد هوشمند مقاوم در برابر آتش یکی دیگر از مسیرهای آینده این حوزه عنوان شده است. چنین موادی میتوانند علاوه بر مقاومت در برابر شعله، متناسب با شرایط محیطی واکنش نشان دهند و عملکردهای حفاظتی بیشتری ارائه کنند.
این مطالعه مروری نشان میدهد که ZIF-۶۷ به دلیل ترکیب ساختار متخلخل، قابلیت تنظیم شیمیایی و وجود جایگاههای فعال کبالت، میتواند بهعنوان یکی از اجزای مهم در طراحی نانوکامپوزیتهای پلیمری مقاوم در برابر آتش مورد توجه قرار گیرد. ترکیب این ماده با بازدارندههای شعله مبتنی بر فسفر، رس و کربن، مسیر توسعه پلیمرهایی را فراهم میکند که علاوه بر حفظ ویژگیهای کاربردی، در برابر حرارت و آتش ایمنتر باشند. بااینحال، برای تبدیل این ظرفیت به محصولات صنعتی، همچنان باید چالشهایی مانند تولید در مقیاس بالا، کنترل ساختار در حین احتراق و ارزیابی عملکرد در شرایط واقعی برطرف شود.
