الملخص:
لفترة طويلة، استخدمت كبائن الطائرات الحديثة المواد المركبة على نطاق واسع لتلبية المتطلبات الصارمة مثل الوزن الخفيف والقوة العالية ومقاومة الحريق. ومع ذلك، غالبًا ما يكون من الصعب إعادة تدوير هذه المواد عند نهاية مدة خدمتها وينتهي بها الأمر في مدافن النفايات أو الحرق. والآن، طور باحثون سويسريون مادة مركبة جديدة من راتنجات الإيبوكسي من المتوقع أن تغير هذا الوضع وتقدم حلولاً أكثر استدامة لصناعة الطيران وحتى صناعة النقل بالسكك الحديدية.
تم إجراء البحث من قبل المختبر الفيدرالي السويسري لعلوم وتكنولوجيا المواد (Empa) بالشراكة مع شركة المواد الكيميائية المتخصصة Elantas. نجح فريق البحث في تطوير نظام جديد للمواد المركبة يكون مثبطًا للهب وقابلاً لإعادة التدوير. ويكمن اختراقها الأساسي في تحسين راتنجات الايبوكسي التقليدية.
يستخدم راتنجات الإيبوكسي على نطاق واسع في المركبات الهندسية الحديثة نظرًا لقدرته على الجمع بين المواد المختلفة بقوة لتشكيل هيكل شامل يتميز بخفة الوزن وقوة عالية. ومع ذلك، فإن هذه الميزة تؤدي أيضًا إلى مشكلة ابتليت بها الصناعة منذ فترة طويلة. راتنجات الإيبوكسي التقليدية عبارة عن بلاستيك متصلد بالحرارة يشكل بنية جزيئية مستقرة ودائمة متشابكة أثناء عملية المعالجة، مما يمنح المادة خواص ميكانيكية ممتازة ومقاومة للحرارة واستقرار الأبعاد. لكن في الوقت نفسه، يجعل هذا الهيكل أيضًا من الصعب تفكيك المادة مرة أخرى، مما يجعل إعادة التدوير الفعالة للمواد المركبة شبه مستحيلة.
إن مادة مضافة تحتوي على الفوسفور طورها الباحثون تغير ذلك. عندما يتم خلط المادة المضافة مع راتنجات الإيبوكسي أثناء عملية التصنيع، فإنها لا تمنح المادة خصائص مثبطة للهب فحسب، بل تسمح أيضًا للمادة المعالجة بالتليين وحتى الانفصال في ظل ظروف معينة، مما يجعل إعادة التدوير ممكنة.
ركز فريق البحث هذه المرة على مادة تركيبية هيكلية تشبه "قرص العسل" تستخدم على نطاق واسع داخل الطائرات والقطارات. يتكون هذا النوع من المواد عادةً من قلب أراميد خفيف الوزن على شكل قرص العسل، ومغطى بطبقة من الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون من الخارج، ثم يتم ربط الأجزاء المختلفة بقوة براتنج الإيبوكسي. نظرًا لقوتها العالية، خفة وزنها ومقاومتها الممتازة للحريق، فإنها تستخدم على نطاق واسع في أرضيات كابينة الطائرات، والديكورات الداخلية للقطارات والهياكل الداخلية لمعدات النقل الأخرى.
قال سابياساتشي غان، الباحث في مختبر الألياف المتقدمة في إمبا، إنه في مجال الهندسة، يعد التركيز على الوزن الخفيف والقوة الميكانيكية ومقاومة الحريق والاستدامة في نفس المادة تحديًا كبيرًا. في كثير من الحالات، عندما تكتسب مادة ما خاصية واحدة، فإنها غالبًا ما تضحي بخصائص أخرى.
في إطار مشروع تدعمه وكالة الابتكار السويسرية، قام فريق البحث وشركة Elantas بالتحقق من عملية إعادة تدوير الهيكل المركب بالكامل. أظهرت النتائج أنه يمكن تفكيك المادة المركبة إلى مكوناتها الأصلية باستخدام المذيبات المناسبة فقط والحرارة المعتدلة، مما يؤدي بنجاح إلى استعادة بنية قرص العسل الأراميد والألياف الزجاجية أو طبقات ألياف الكربون.
هذا الإنجاز له أهمية عملية مهمة. سواء كانت مواد الأراميد على شكل قرص العسل أو ألياف الكربون، فإن عملية التصنيع تتطلب تكاليف عالية ومدخلات كبيرة من الطاقة. إذا كان من الممكن إعادة استخدام هذه المواد عالية القيمة بعد إيقاف المنتج، فلن يؤدي ذلك إلى تقليل توليد النفايات فحسب، بل سيساعد أيضًا في تقليل تكاليف دورة الحياة الإجمالية.
قال الباحثون إنه من الناحية النظرية، من المتوقع إعادة تدوير راتنجات الإيبوكسي المنفصلة نفسها بشكل أكبر في المستقبل، لكن التكنولوجيا ذات الصلة لا تزال تتطلب بحثًا وتحققًا متعمقين.
تظهر اختبارات الأداء أن المادة المركبة الجديدة قد وصلت إلى معايير السلامة من الحرائق ذات الصلة، وأن خواصها الميكانيكية قريبة من خصائص المواد المركبة التقليدية من راتنجات الإيبوكسي. وهذا يعني أن الحلول الجديدة لديها القدرة على تحقيق أهداف التصميم القابلة لإعادة التدوير دون التضحية بالسلامة أو القوة الهيكلية.
في الوقت الحالي، يعمل فريق البحث مع Elantas لتعزيز أعمال التحقق الصناعي، على أمل توسيع عملية الإنتاج وإعادة التدوير إلى نطاق التطبيقات التجارية. وبالإضافة إلى صناعات الطيران والسكك الحديدية، يقوم الباحثون أيضًا بتقييم إمكانية استخدامها في البنية التحتية للطاقة والبناء.
نظرًا لأن صناعة الطيران وصناعة النقل بالسكك الحديدية ومختلف مجالات التصنيع المتطورة تواجه متطلبات بيئية صارمة بشكل متزايد، فمن المتوقع أن تعمل هذه التكنولوجيا على تعزيز انتقال المواد المركبة من النموذج التقليدي المتمثل في "التصنيع مرة واحدة والخردة النهائية" إلى مرحلة جديدة من إعادة التدوير. بالنسبة لكبائن الطائرات المستقبلية، ربما لم تعد الأهداف "خفيفة الوزن ومثبطة للهب وآمنة وقابلة لإعادة التدوير" أهدافًا متعارضة، ولكن يمكن تحقيقها في نفس الوقت.
التعليقات