جمعه 4 خرداد 1403

کاربردهای فناوری نانو در رنگ‌ها و روکش‌های ضد حریق

فناوری‌های نوآورانه به‌ویژه فناوری نانو ازجمله موضوعاتی است که حوزه‌های مختلف تحقیقاتی مربوط به چند رشته متفاوت از زیست‌شناسی مولکولی تا شیمی، از علم مواد تا فیزیک و مهندسی را در برمی‌گیرد. در طول یک دهه اخیر استفاده از فناوری نانو، نه‌تنها پیشرفت سریعی داشته است، بلکه نتایج مطلوبی نیز در پی داشته است که ازجمله آن می‌توان به پیامدهای مفید اقتصادی آن اشاره کرد. ویژگی‌هایی که مواد مختلف در مقیاس نانو پیدا می‌کنند به آن‌ها خواص و قابلیت‌های ویژه‌ای می‌بخشد که پیش از آن وجود نداشت.

مواد مقاوم به شعله^[1] موادی شیمیایی هستند که به مواد قابل اشتعال اضافه می‌شوند تا آن‌ها را در برابر آتش مقاوم‌تر کنند. این مواد برای کاهش خطرات آتش‌سوزی در مواردی مثل تماس با یک منبع گرم مانند سیگار، شمع یا یک خطای الکتریکی طراحی شده‌اند. آن‌ها با احاطه کردن مادهٔ در حال سوختن احتراق را پایین آورده و از گسترش آتش به مواد دیگر جلوگیری می‌کنند. این درحالی است که بسیاری از مواد شیمیایی مورد استفاده در طول سال‌ها، به‌دلیل آنکه برای سلامت انسان و یا طبیعت مضر شناخته شدند، از رده استفاده خارج شدند. محصولات امروزی بخصوص محصولات کندسوز غیر هالوژنی، برای کمک به حفاظت از زندگی ضروری هستند. از آنجایی که بسیاری مواد بازدارنده شعله سمی بوده و آسیب جدی به محیط‌زیست می‌زنند، نیاز به استفاده از نانوفناوری برای کاهش سمیت و زیست‌تخریب‌پذیری مواد مقاوم به شعله موجود مشاهده شده است.

1. تاریخچه

مواد شیمیایی کندسوز از زمان رومیان باستان مورد استفاده بوده است؛ آن‌ها از موادی نظیر زاج‌سفید[2] یا سرکه[3] برای حفاظت کشتی‌های جنگی و برج‌های محاصره شده، استفاده می‌کردند. تحقیق و توسعه و استفاده از مواد شیمیایی یا پوشش‌های ضد آتش همچنان تا به امروز ادامه دارد. در سال پنجم قبل از میلاد به نوشته هرودوت[4] مورخ یونانی، مردم یونان از سولفات پتاسیم آلومینیوم (KAl(SO₄)₂.12H₂O) به‌عنوان رنگ و روکش برای بهبود خاصیت مقاومت به آتش چوب استفاده می‌کردند. حدود 200 سال بعد رومیان باستان این فناوری را با اضافه کردن سرکه به سولفات پتاسیم آلومینیوم بهبود دادند. بعدها رومیان، اختراعات درزمینهٔ مواد مقاوم در برابر آتش را در تجهیزات نظامی به کار بردند. در قرن 17 مشهور به قرن آلمان، پرده‌های تئاتر با مخلوطی از خاک رس[5] و سنگ گچ[6] آغشته می‌کردند که آن‌ها را «پرده‌های نمایش نسوز[7]» می‌نامیدند.

در سال 1735 برای اولین بار حق ثبت اختراع ماده کندسوز به نام دانشمند بریتانیایی اوبادیا ویلد[8] صادر شد و به‌عنوان یک موضوع مهم و نقطه عطفی در تاریخ مواد کندسوز موردتوجه قرار گرفت. بین سال‌های 450 قبل از میلاد تا اوایل قرن بیستم، از مواد افزودنی و پرکننده‌های مختلف طبیعی، برای کاهش اشتعال استفاده می‌شد. ازجمله این مواد می‌توان به خاک رس، سنگ گچ، سولفات آهن[9]، آمونیوم کلرید[10]، فسفات آمونیوم[11]، سدیم تترابورات[12] و انواع مختلف اسید و همچنین مخلوط زاج سفید و سرکه، اشاره کرد. این مواد جهت کندسوزی عمدتاً برای کاربردهای نظامی، پرده‌های تئاتر و دیگر پارچه‌ها کاربرد داشتند.

2. بازار رنگ و روکش‌های عایق حرارتی، کندسوز و نسوز

در سال 2012 بازار رنگ و روکش‌های مانع حرارت بالغ‌بر 75/3 میلیارد دلار و در سال 2015 این میزان به 29/6 میلیارد دلار گزارش شده است. بر اساس شکل زیر بازار جهانی رنگ و روکش‌های مقاوم به شعله از حدود 6 میلیارد دلار در سال 2014 به حدود 7 میلیارد دلار در سال 2017 رسیده است. پیش‌بینی می‌شود در سال‌های آتی، استفاده از مواد نسوز برای ایمنی و پیشگیری از آتش‌سوزی در صنایع مختلف از قبیل ساخت‌وساز، برق و الکترونیک و حمل‌ونقل رشد چشمگیری داشته باشند. بر اساس این نمودار پیش‌بینی می‌شود بازار این محصولات در سال 2025 به بیش از 12 میلیارد دلار باشد. از این میان سهم بازار نانوپوشش 5/3 درصد و بالغ‌بر 266 میلیون دلار خواهد بود. چنانچه این روند رو به رشد ادامه یابد، در سال 2024 سهم بازار نانورنگ‌ها و نانوروکش‌های مانع حرارت و کندسوز به میزان 420 میلیون دلار خواهد رسید.

شکل 1. بازار جهانی رنگ و روکش‌های مقاوم به شعله از سال 2014 تا 2025.

شکل 2. نمودار بازار جهانی مواد کندسوز.

برای شناخت بیشتر بازار این محصولات، در ادامه به بررسی اجمالی برخی از محصولات مقاوم به شعله پرداخته می‌شود. در سال 2015، کندسوزهای غیر هالوژنی دارای تقاضای بیش از 400/1 کیلوتن بودند. با توجه به مقررات سخت‌گیرانه در خصوص استفاده از مواد کندسوز هالوژنی، انتظار می‌رود استفاده از این مواد روندی افزایشی داشته باشند. در میان انواع مواد غیر هالوژنی، تقاضا برای آلومینیوم هیدروکسید در سال 2015 بیش از 900 کیلوتن بوده که بیشترین مقدار در این بخش را شامل می‌شود. انتظار می‌رود که تا سال 2025 این میزان تا 7/5 درصد افزایش یابد. در میان کندسوزهای هالوژنی نیز نوع برومی[13] آن نزدیک به 40 درصد از بازار را به دست آورده است.

شکل 3. نمودار رشد استفاده از مواد کندسوز غیر هالوژنی و هالوژنی طی سال‌های 2014 تا 2025.

شکل 4. نمودار رشد تقاضا برای ماده آلومینیوم هیدروکسید طی سال‌های 2014 تا 2025 در مقایسه با مواد دیگر.

3. مواد مقاوم به شعله

مواد مقاوم به شعله^[14] موادی شیمیایی هستند که به مواد قابل اشتعال اضافه می‌شوند تا آن‌ها را در برابر آتش مقاوم‌تر کنند. همان‌طور که اجسام از ترکیبات شیمیایی متفاوتی ساخته شده‌اند، برای حفظ آن‌ها نیز باید از بازدارندهای شعله مناسبی استفاده شود. با توجه به شکل 5، مواد مقاوم به شعله یا کندسوز با از بین بردن یکی از عوامل مثلت آتش، فرآیند سوختن را کند و یا متوقف می‌کنند. درواقع این مواد بسته به آرایش شیمیایی‌شان، نرخ چرخه آتش را کاهش می‌دهند.

شکل 5 مثلث تشکیل آتش.

4.1. معرفی مواد کندسوز معمول

ازآنجایی‌که فناوری نانو می‌تواند با افزودن نانومواد به محصولات موجود باعث تغییر خواص، بهبود عملکرد و یا ایجاد خواصی ویژه‌ای کند، بنابراین در زیر به معرفی انواع مواد کندسوز پرداخته می‌شود. در ادامه مباحث به کاربرد انواع نانومواد در بهبود عملکرد رنگ‌ها و روکش‌های مقاوم به شعله پرداخته خواهد شد.

انواع مواد کندسوز به 6 دسته اصلی زیر تقسیم می‌شوند:

کندسوزهای هالوژنی^[15]: این دسته از مواد کندسوز بر پایه سیستم‌های مبتنی بر کلر^[16] هستند اما شاید بیشتر به بازدارنده شعله‌های برومی^[17] یا BRF معروف هستند. کاربرد آن‌ها بیشتر در صنعت الکترونیک و همچنین در منسوجات، محصولات ساخت‌وساز^[18] و پوشش‌ها است. بروم به این دلیل استفاده می‌شود که اتم‌های فعال خود را قبل از آنکه ماده به دمای احتراق خود برسد، در فاز گاز آزاد می‌کند تا واکنش‌های درون شعله را خنثی کند. این فرایند روند سوختن ماده را کند می‌کند. این یک مثال از رویکرد مهار فاز بخار است. استفاده از این ماده به دلایل زیست‌محیطی از محدودیت‌های خاصی برخوردار است.
کندسوزهای معدنی^[19]: بسیاری از مواد معدنی به‌عنوان بازدارنده‌های شعله و یا یک کاتالیزور در سیستم کندسوز عمل می‌کنند. برای دریافت نتیجه مطلوب، این مواد در غلظت بالا و یا ترکیب با دیگر مواد کندسوز استفاده می‌شوند. به‌عنوان مثال، اکسیدآنتیموان^[20] خواص بازدارنده شعله ندارد، اما در ترکیب با بازدارنده‌های شعله بروم یا کلر، به‌عنوان یک ترکیب‌کننده مؤثر و یک کاتالیزور برای بروم یا کلر عمل می‌کند و باعث آزاد شدن سریع‌تر اتم‌های بروم در فاز گاز می‌شود. ازجمله مواد معدنی که به‌طور مستقل جهت کندسوزی عمل می‌کنند، هیدروکسید آلومینیوم و هیدروکسید منیزیم^[21] هستند. این ترکیبات ضمن فرایند سوختن، با انتشار گازهای غیرمستقیم (مانند بخار آب)، لایه‌ای با نقش حفاظتی ایجاد می‌کنند (پس انرژی موجود در آتش را کاهش می‌دهند) و به‌این‌ترتیب باعث تداخل در روند سوختن می‌شوند.
کندسوزهای نیتروژنی^[22]: مواد بر پایه ملامین^[23] که بیشتر به کندسوزهای نیتروژنی مشهورند. هنگامی‌که ملامین در فاز چگال است، ساختار مولکولی آن به ساختارهای متقاطع تبدیل می‌شود. این تحول موجب ایجاد زغال می‌شود که مانع عرضه اکسیژن می‌شود. کندسوزهای نیتروژنی نمونه‌ای از مواد بازدارنده شعله در فاز جامد است.
پوشش‌های حجیم‌شونده^[24]: هدف این پوشش‌ها محافظت از مواد در برابر آتش‌سوزی است. آن‌ها برای محصولاتی مثل مصالح ساختمانی (فولاد یا چوب) مانند لایه‌ای از رنگ اعمال می‌شوند. این لایه مقاوم به آتش و عایق، مواد را از درجه حرارت بالا و آسیب ساختاری محافظت می‌کند. اجزای مشترک این پوشش‌ها عبارت‌اند از ترکیبات کف‌دار^[25] (مواد شیمیایی که در هنگام حرارت دادن تجزیه می‌شوند و مقدار زیادی گاز تولید می‌کنند)، چسب^[26]، منبع اسیدی و ترکیبی کربنی.
فسفر^[27]: این ترکیبات می‌توانند هم به‌صورت شیمیایی به مواد متصل شوند و هم به‌صورت فیزیکی به‌عنوان افزودنی اضافه شوند. هنگامی‌که ترکیب حاوی فسفر گرم می‌شود، ایجاد زغال می‌کند. آنچه در مورد تشکیل زغال بسیار جالب است این است که با ایجاد یک لایه، محافظ پلیمر را از گرمای شعله محافظت می‌کند؛ ضمن آنکه مانع انتشار گازهای قابل اشتعال نیز می‌شود.
کندسوزهای غیرهالوژنی^[28] (HFFR): کندسوزهای غیر هالوژنی بهترین گزینه عصر کنونی برای افزایش مقاومت مواد نسبت به شعله هستند. این مواد حداقل اثرات زیست‌محیطی را در پی داشته و نسبت به مواد قبلی ذکر شده، عملکرد بهتری دارند. کلیه نانومواد مقاوم در برابر آتش در این دسته قرار می‌گیرند که در ادامه این گزارش به آن‌ها می‌پردازیم.

2.4. سازوکارهای کند کردن روند شعله

1.2.4. مهار فاز بخار^[29]

در این روش، هدف وقفه انداختن در فاز گاز رادیکال آتش‌سوزی است. با شکستن این فاز که در آن گاز قابل اشتعال آزاد می‌شود، سیستم خنک می‌شود و مقدار گاز قابل اشتعال کاهش می‌یابد و یا حذف می‌شود.

شکل 6. نحوه عملکرد رنگ نانویی عایق حرارت.

2.2.4. ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده^[30]

این روند برای ایجاد یک لایه زغال، زمانی که آتش آغاز می‌شود، طراحی شده است. آنچه در مورد زغال جالب است این است که دارای دو مزیتِ تأخیر در تولید گازهای قابل‌احتراق و همچنین ایجاد لایه‌ای محافظ که از مواد زیرین را در مقابل حرارت شعله محافظت می‌کند.

شکل 7. مقایسه سوختن و میزان تشکیل شعله یک نانوکامپوزیت ضد حریق و میکروکامپوزیت معمولی در مدت 1 دقیقه.

برای بیان بهتر عملکرد ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده، در ادامه سازوکار عملکردی نانوکامپوزیت‌های حاوی CNT معرفی شده است. نانوکامپوزیت‌های حاوی CNT تشعشع[31] بیشتری نسبت به پلیمرها هنگام آتش‌سوزی به خود جذب می‌کنند؛ بنابراین درجه حرارت نانوکامپوزیت‌ها سریع‌تر از پلیمرها افزایش و زمان انجماد مواد کاهش می‌یابد. هنگامی‌که پلیمرها حرارت می‌یابند دمای تخریب آن‌ها افزایش یافته و شروع به سوختن می‌کنند. محصولات تخریب بسیار گرم شده و به شکل هسته‌هایی از حباب درمی‌آیند. حباب‌ها یکی پس از دیگری می‌ترکند و محتویات آن‌ها به‌عنوان بخار سوخت به فاز گاز تبدیل می‌شوند.

شکل 8. سازوکار عملکرد نانوکامپوزیت‌های کندسوز پایه کربنی.

3.2.4. سیستم‌های خنک‌کننده^[32]

در این روش، به دلیل واکنش گرماگیر^[33] در هنگام گرم شدن و حضور آتش، مواد معدنی هیدراته با آزاد کردن مولکول‌های آب، باعث خنک شدن پلیمر و با عدم آزاد شدن گازهای واکنشی، فرایند احتراق متوقف می‌شود.

شکل 9. نمودار آتش‌سوزی از اشتعال تا خاموش شدن آن.

3.4. انواع نانومواد مورداستفاده در رنگ‌ها و روکش‌های مقاوم به شعله

تحقیقات پیشین نشان داده است که نانوذرات پرکننده، برای ساختن مواد مقاوم به شعله بسیار مناسب هستند، زیرا می‌توانند به‌طور هم‌زمان خواص فیزیکی و نیز اشتعال نانوکامپوزیت پلیمری را بهبود بخشند. نانوپوشش‌های ایجاد شده با ترکیب نانوذرات اکسید زیرکونیوم مقاومت حرارتی بهتر و کاهش هدایت حرارتی بیشتر در مقایسه با پوشش‌های معمول از خود نشان می‌دهند. به‌طورکلی مقاومت حرارتی مواد در مقیاس نانو، 170 درجه سانتی‌گراد بیشتر از حالت معمولی است. نانوذرات به‌خوبی می‌توانند عمل بازدارندگی آتش را بهبود بخشند.

نانوکامپوزیت‌ها از اواخر دهه 1990 به‌عنوان ماده‌ای کندسوز توجه بسیاری به خود جلب کردند. ازاین‌رو تحقیقات بسیاری در مورد افزودن انواع نانوذرات به نانوکامپوزیت‌ها جهت بهبود خواص کندسوزی صورت گرفته است. از نانوماده‌هایی که توجه زیادی را در این خصوص به خود جلب کرده‌اند، می‌توان به سیلیکات لایه‌ای^[34]، لایه‌های خاک رس و ساختارهای مختلف کربن اشاره کرد. نانومواد کربنی بر اساس مورفولوژی که دارند به ترتیب با نام‌های گرافن، نانولوله‌های کربنی و کربن سیاه شناخته می‌شوند. گرافن با ساختار لایه‌ای، کاملاً شفاف است. نانولوله‌های کربنی به‌عنوان پرکننده‌ها برای بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و بازدارندگی شعله نانوکامپوزیت‌ها استفاده می‌شود.

شکل 10. طرح‌واره‌ای از نحوه عملکرد پوشش‌های ضد حریق پایه کربنی (گرافن).

جدول 1. انواع نانوماده‌های کندسوز و کاربردهای آن‌ها

نام نانوماده	ویژگی‌ها	کاربرد و حوزه صنعتی	روش کندسوزی
خاک رس[35]	ü کندسوزی بسیار بالا ü زیست‌تخریب‌پذیری بالا ü واکنش‌پذیری شیمیایی بالا ü کاملاً طبیعی	· انواع کاربردهای صنعتی و ساختمانی · سیم و کابل برق · پوشش‌های تزئینی و کف‌پوش‌ها	ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده
نانولوله‌های کربنی[36]	شفاف	· برق و الکترونیک/ عایق کابل · صنعت خودرو و هوافضا	ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده
خاک رس+نانولوله‌های کربنی	افزایش خواص کندسوزی نسبت به استفاده منفرد هر یک از مواد به‌تنهایی	برق و الکترونیک/ عایق کابل	ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده
گرافن	شفاف	· انواع کاربردهای صنعتی و ساختمانی · صنعت خودرو و هوافضا · برق و الکترونیک/ عایق کابل · نساجی	ایجاد فاز جامد نیم‌سوز شده
دی‌اکسیدسیلیکون/ تیتانیوم	بسیار نازک	چوب و وسایل چوبی	سیستم خنک‌کننده
نانوذرات اکسید زیرکونیوم	مقاومت بسیار بالای حرارتی	نساجی (به‌ویژه پارچه‌های پشمی)	مهار فاز بخار

در ادامه به برخی از نانومواد پرکاربرد مورداستفاده در نانورنگ‌ها و نانوروکش‌های مقاوم به شعله پرداخته خواهد شد.

1.3.4. نانوذرات خاک رس^[37]

خاک رس به‌طور طبیعی به شکل ذرات میکرونی پولکی، ضخامت نانومتری دارد. بیشترین خاصیت خاک رس به‌عنوان یک ماده پرکننده زمانی نمود می‌یابد که این ذرات پراکنده شده و هریک به‌عنوان یک لایه در مقیاس نانو عمل می‌کنند. این لایه‌ها اغلب با استفاده از روش‌های مافوق صوت به دست می‌آیند.

نانوکامپوزیت‌ها و نانو پلیمرهای شامل خاک رس (به‌عنوان پرکننده)، خواص کندسوزی بسیار عالی از خود نشان می‌دهند. خاک رس باعث تشکیل زغال می‌شود که به‌عنوان عایق حرارتی و مانعی برای انتشار شعله عمل می‌کند. جذاب‌ترین موضوع در خصوص خاک رس، این است که یک ماده کاملاً طبیعی هستند. این موضوع باعث فرآوری بسیار ساده و زیست‌تخریب‌پذیری بالای آن‌ها می‌شود.

شکل 11. استفاده از لایه‌های خاک رس در پلیمرها و بهبود خاصیت مکانیکی و مانع حرارتی.

2.3.4. نانولوله‌های کربنی^[38]

نانولوله‌های کربنی یا CNTها نیز به‌عنوان یک پرکننده مقاوم در برابر آتش شناخته می‌شوند. چرا که انتشار گرما در مواد را به‌صورت مؤثر کاهش می‌دهند. به‌طور خاص با ترکیب غلظت کمی از CNTها با نانوذرات خاک رس نوعی اثر سینرژیک^[39] را ایجاد می‌کند که بسیار مؤثرتر از استفاده هر یک از این دو ماده به‌صورت انفرادی ست.

علیرغم هزینه بسیار بالا برای تولید CNTها، عملکرد بالای این ماده که با غلظت بسیار کم قابل انجام است، استفاده از این ماده را در کاربردهای با ارزش بالا مانند عایق کابل‌ها در مراکز داده قابل‌اجرا می‌کند. به نظر می‌رسد بهترین عملکرد از ترکیب گلاسه‌ها و نانوساختارها یا نانولوله‌ها با انواع دیگری از مواد مصنوعی ضد آتش مانند ترکیبات آلی فسفری به دست می‌آید. این بدان معنی است که افزودنی‌های بسیار کمتری برای مصرف موردنیاز است، بنابراین در محصولات نیاز به مواد پرکننده کمتر است.

شکل 12. مقایسه سوختن جسم حاوی نانوفیبرهای کربنی با نمونه معمولی آن.

شکل 12 نتایج کالری‌سنجی مخروطی[40] برای کامپوزیت‌های نانولوله تک دیواره[41] و پلی متیل متاکریلات[42] را نشان می‌دهد. زمان انجماد[43]، نرخ آزادسازی پیک[44] و میزان آزادسازی حرارت کامل[45] پارامترهای مهمی در کالری‌سنجی مخروطی برای مشخص کردن اشتعال‌پذیری مواد هستند. میزان آزادسازی حرارت کامل مهم‌ترین پارامتر مورداستفاده برای توصیف اشتعال است و به‌عنوان نیرومحرکه آتش شناخته می‌شود. اضافه کردن CNT ها می‌تواند PHRR یعنی شدت گرمای احتراق را کاهش دهد. بااین‌حال، THRR را نمی‌تواند تغییر دهد زیرا CNTها در فاز بخار عمل نمی‌کنند؛ این بدان معنی است که مقدار گاز سوخت موردنیاز برای احتراق با اضافه کردن CNTها تغییر نمی‌کند.

شکل 13. نتایج کالری‌سنجی مخروطی برای کامپوزیت‌های نانولوله تک دیواره و پلی متیل متاکریلات.

3.4. مزایای نانورنگ‌ها و روکش‌های نسوز

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، ازجمله مضرات روکش‌ها و رنگ‌های کندسوز معمولی، آسیب‌های زیست‌محیطی آن‌ها است. همچنین هزینه بالا برای تهیه آن‌ها باعث می‌شود که ازلحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نباشند. در ادامه به مزایای نانومواد کندسوز/ نسوز اشاره می‌شود:

مواد افزودنی با پایه آب در این روکش‌ها و رنگ‌ها سمیت بسیار کمتری نسبت مواد کندسوز هالوژنی یا برومی دارند و با محیط‌زیست سازگارند.
مقرون‌به‌صرفه هستند.
به زمان کمی برای آماده‌سازی اولیه احتیاج دارند.
عملکرد بهتر و استقامت بیشتر در مقایسه با مواد معمولی.

5.4. کاربرد فناوری نانو در رنگ‌ها و روکش‌های معمول مقاوم به شعله

از تشک‌های خواب گرفته تا تلویزیون، اسباب‌بازی‌های کودکان، فرش‌ها و بسیاری وسایل دیگر، اطراف ما با وسایل کندسوز احاطه‌شده است. این مواد شیمیایی به مواد یا محصولات اضافه می‌شوند تا هنگام آتش‌سوزی از گسترش آتش در آن‌ها جلوگیری یا روند سوختن را کند نمایند. در شکل 14 و جدول 2 کاربرد مواد کندسوز در صنایع مختلف آورده شده است.

شکل 14. کاربرد مواد کندسوز بر اساس استفاده نهایی.

مواد بازدارنده شعله نگرانی‌های زیادی در خصوص تأثیرات محیط زیستی ایجاد کرده‌اند. چراکه بسیار پایدار هستند و می‌توانند در زنجیره غذایی تجمع یابند. این موضوع سبب تشدید اثرات سمی آن‌ها شده است. ازاین‌رو نیاز به استفاده از نانومواد برای کاهش سمیت و نیز زیست‌تخریب‌پذیری اجتناب‌ناپذیر است. مقررات کنترل استفاده از این ترکیبات مضر باعث شده که مواد غیر هالوژنی جایگزین ترکیبات شیمیایی شوند. در ابتدا تحقیقات روی مواد با پایه فسفر بیشتر بود اما به‌مرور توجه به مواد نانویی بخصوص خاک رس، به‌عنوان یک ماده ارزان‌قیمت، گسترش بیشتری یافت. در ابتدا کشورهایی مثل نروژ، آلمان و سوئد درصدد برآمدند تا جایگزین مناسبی برای مواد بازدارنده شعله برومی پیدا کنند. تلاش برای همگام‌سازی با دیگر کشورهای اتحادیه اروپا منجر به منع استفاده از مواد PBDE[46] و [47]PBB شد.

جدول 2. نانونگ‌های کندسوز و حوزه‌های کاربردی آن‌ها

بخش صنعتی	کاربرد
مهندسی برق و الکترونیک	ü سیم و کابل ü لوازم الکترونیکی منزل ü لوازم الکترونیکی محل کار ü صفحات الکترونیکی
وسایل نقلیه موتوری	ü سیم و کابل ü صندلی‌ها
وسایل نقلیه ریلی	ü صندلی‌های داخل کابین ü تودوزی کوپه و عایق‌بندی آن
هواپیما	ü پانل‌ها ü سقف و کف
ساختمان	ü عایق حرارتی برای سقف، نمای خارجی، دیوارها ü ورق‌های بام ü پوشش کف ü کانال و مجرای آب ü پانل‌ها، فضاهای داخلی و پوشاننده‌ها

1.5.4. کاربرد نانومواد و نانوروکش‌های کندسوز و نسوز در ساختمان

آتش‌سوزی در مکان‌های مسکونی همواره یکی از نگرانی‌های طراحان، متخصصان و جوامع عمومی بوده است. یک آتش‌سوزی مخرب در یک ساختمان مسکونی منجر به جراحت، مرگ و از دست دادن میلیون‌ها دلار ارزش مالی می‌شود. ازاین‌رو انتخاب موادی که در ساختمان به کار می‌رود می‌تواند تأثیر مهمی در نرخ تخریب پس از آتش‌سوزی داشته باشد. چوب و کامپوزیت‌های چوبی ازجمله مواد پرکاربرد قابل اشتعال در هر ساختمانی هستند.

لوازم چوبی

اپوکسی‌های حاوی نانوماده‌های برپایه دی‌اکسید سیلیکون یا دی‌اکسید تیتانیوم می‌توانند در بازدارندگی شعله روی چوب مؤثر باشند. این محصول به شکل روکش‌های نازک با کارایی بسیار بالا، به‌منظور جلوگیری از آتش و نیز کاهش دود در تمامی سطح اعمال می‌شوند. در هنگام آتش‌سوزی، این نانوروکش تولید آب و گاز می‌کند. به‌طوری‌که این محصول با آزاد کردن اکسیژن و همچنین تشکیل زغال متراکم باعث ایجاد یک اثر خنک‌کننده و محافظتی در مقابل شعله می‌شوند.

2.5.4. کاربرد نانومواد و نانوپوشش‌های کندسوز و نسوز در هواپیما

%40 از مسافرانی که از سانحه هوایی جان سالم به درمی‌برند، دچار جراحات سوختگی می‌شوند. با افزایش رشد ترافیک هوایی، تلفات آتش‌سوزی در هواپیما هرساله، 4 درصد افزایش می‌یابد. ازاین‌رو استفاده از نانورنگ‌ها و نانوروکش‌های مقاوم به حرارت در بخش‌هایی از سطوح هواپیما (فلز و فایبرگلاس) که در زمان کوتاهی در معرض حرارت بالایی قرار می‌گیرند، درحال‌توسعه هستند. وسایل نقلیه نظامی که در محیط‌های سخت و در دماهای بالا قرار می‌گیرند نیز ازجمله بازارهای این رنگ‌ها و روکش‌هاست.

شکل 15. استفاده از رنگ‌ها، روکش‌ها و مواد مقاوم به شعله در برخی از قسمت‌های هواپیما.

6.4. شرکت‌های فعال در تولید رنگ‌ها و روکش‌های مقاوم به شعله

1.6.4. شرکت‌های تجاری داخلی

با توجه بررسی انجام‌شده در داخل کشور، چندین شرکت درزمینهٔ تولید و توزیع مواد مقاوم به شعله فعالیت می‌نمایند. ازاین‌بین، فقط یک شرکت مورد تأیید واحد بررسی و ارزیابی محصولات نانو (نانومقیاس) است. شرکت پوشش صنعت نانوفن تهران فعال درزمینهٔ رنگ و رزین، تولیدکننده رنگ عایق حرارتی نانو است.

2.6.4. شرکت‌های تجاری فعال خارجی

شرکت‌های خارجی فعال درزمینهٔ تولید محصولات مرتبط با این حوزه در جهان بسیار می‌باشند. در جدول 4 به شرکت‌های بزرگ فعال در این زمینه اشاره‌شده است.

جدول 3. نام و زمینه فعالیت برخی از شرکت‌های خارجی درزمینهٔ تولید محصولات مقاوم به شعله

ردیف	نام شرکت	نام کشور	فعالیت اصلی شرکت	محصول نانویی تجاری شده
1	ShayoNano	سنگاپور	تولیدکننده انواع محصولات نانویی	نانوکامپوزیت مقاوم در برابر آتش
2	I-CanNano	هند	تولیدکننده پوشش‌ها و روکش‌های نانویی	رنگ‌های ضد حریق
3	Northwest Mettech Corp.	کانادا	فعال درزمینهٔ توسعه اسپری حرارتی	پوشش عایق حرارتی
4	Industrial Nanotech Inc.	آمریکا	تولیدکننده محصولات عایق حرارتی	نانوکامپوزیت‌های عایق حرارتی

5. خلاصه مدیریتی

در سال‌های اخیر مشکلات ناشی از سوانح آتش‌سوزی، به‌عنوان یکی از پرخطرترین سوانح، بسیار موردتوجه فناوران و شرکت‌های دانش‌بنیان قرارگرفته است. از سوی دیگر فناوری نانو، به‌عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی قرن بیست و یکم به‌عنوان راهکاری مؤثر برای پیش‌گیری، تجهیز وسایل و کاهش خسارات و هزینه‌های ناشی ازاین‌دست خواهد بود. در این گزارش سعی شده تا با نگاهی به فناوری نانو بتوان مشکلات ناشی از پدیده آتش‌سوزی را مرور نمود و برای آن‌ها راهکارهای ارائه داد. ازاین‌رو در این گزارش بازار مواد مقاوم به شعله، سازوکارهای عملکرد، کاربردها، انواع نانومواد مورداستفاده در این محصولات ذکرشده است.

6. مراجع

[1] J. ZHUGE, “Processing, Optimization AND Characterization OF Fire Retardant Polymer Nanocomposites”, Thesis for Master of Science, Department of Mechanical, Materials, and Aerospace Engineering, College of Engineering and Computer Sciences, University of Central Florida Orlando, Florida, 2010.

[2] https://www.polymersolutions.com/blog/how-do-flame-retardants-work

[3] http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2445.php

[4] B. Sang, Z. Li, X. Li, L. Yu, and Z. Zhang, “Graphene-based flame retardants: a review”, National & Local Joint Engineering Research Center for Applied Technology of Hybrid Nanomaterials, Henan University, 2016.

[5] Y. Arao, ” Flame Retardancy of Polymer Nanocomposite“, Department of Mechanical and Systems Engineering, Doshisha University, Japan, Springer International Publishing Switzerland, Chapter 2, 2015.

[6] http://nanoisola.com/fa/index.php/2015-06-28-07-34-15

[7] https://www.polymersolutions.com/blog/major-categories-flame-retardants

[8] http://www.fireretardantsinc.com/fire_retardants101.html

[9] F.P.Goldsmith, “Fire Retardant Coatings, An evaluation of fire retardant coatings as a means of protecting wood panels “, April 17,2011.

[10] H. W. LASCH and ELMER E. JUKKOLA, “Fire-Retardant Coatings for Aircraft Use”, Wright Air Development Center, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio,2013.

[11] S.G. WEISSBERG AND G. KLIKE. “Fire-Retardant Coatings for Fabric-Covered Aircraft”, iVational Bureau of Standards, Civil Aeronautics Administration Experimental Station, Indianapolis, 2008.

[1] flame retardants

[2] Alum

[3] vinegar

[4] Herodotus )Greek historian(

[5] clay

[6] gypsum

[7] inflammable canvas

[8] Obadiah Wyld

[9] Ferrous sulfate

[10] Ammonium chloride

[11] ammonium phosphate

[12] borax

[13] Brominated type

[14] flame retardants

[15] Halogen

[16] chlorine-based systems

[17] Bromine Flame Retardants (BRFs)

[18] construction products

[19] Inorganic Flame Retardants

[20] antimony oxides

[21] aluminum and magnesium hydroxides

[22] Nitrogen Flame Retardants

[23] Malamine-based

[24] Intumescent Coatings

[25] spumific compounds

[26] binder

[27] Phosphorous

[28] Halogen-FreeFlameRetardants

[29] vapor phase inhibition

[30] solid phase char formation

[31] radiation

[32] quench and cool systems

[33] endothermic

[34] layered silicates

[35] nanoclay

[36] CNT

[37] Nanoclay

[38] Carbon Nanotube

[39] synergistic

[40] cone-calorimetry

[41] single-wall nanotube

[42] poly(methyl methacrylate) (PMMA)

[43] Ignition time

[44] peak heat release rate (PHRR)

[45] total heat release rate (THRR)

[46] polybrominated diphenyl ethers

[47] polybrominated biphenyls

———————————————————————

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]