ایمنی نانوفناوری در صنایع دریایی

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 14

ایمنی نانوفناوری در صنایع دریایی به دلیل کاربردهای گسترده و نوظهور نانومواد در ساختار کشتی‌ها و زیردریایی‌ها، به یکی از مباحث حیاتی در حوزه مهندسی و مدیریت ریسک تبدیل شده است. در حالی که فناوری‌های نانو، قابلیت‌های بی‌نظیری را برای افزایش مقاومت در برابر حریق و بهبود خواص مکانیکی ایجاد کرده‌اند، ارزیابی دقیق خطرات مرتبط با تولید، استفاده و رهاسازی این مواد در محیط‌های دریایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مطلب، به بررسی چالش‌ها، راهکارهای حفاظتی و استانداردهای نوین در راستای بهره‌برداری ایمن از این تکنولوژی می‌پردازیم.

۱- مقدمه‌ای بر ایمنی حریق کامپوزیت‌های دریایی

کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری (Polymer matrix composites) دارای خواص فوق‌العاده‌ای از جمله استحکام و سختی ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی و آب و همین‌طور قابلیت انعطاف‌پذیری برای تولید اشکال خاص هستند. بنابراین این نوع مواد توجه ویژه برای کاربردهای دریایی را به سوی خود جلب کرده‌اند. به عنوان مثال، PMCها به طور گسترده‌ای در سازه‌های دریایی به منظور بهبود کارایی عملیاتی (مانند افزایش محدوده، پایداری و بازده حمل بار) و کاهش هزینه مالکیت (مانند کاهش هزینه‌های تعمیرات و نگهداری و مصرف سوخت) زیردریایی و کشتی‌های جنگی، مورد استفاده قرار می‌گیرند [۱]. PMCها به طور ویژه برای ساخت قایق‌های گشت‌زنی بزرگ، هواناو، یگان شناور ضد مین و رزم ناوها با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

با این وجود، یکی از کمبودها و کاستی‌های PMCها که کاربرد آنها را محدود می‌کند، آسیب‌پذیری آن‌ها در مقابل آتش است. در اثر طبیعت آلی PMCها، آن‌ها فرسایش یافته، تجزیه شده و گاهی اوقات در اثر مواجهه با گرمای تابشی یا آتش، گازهای سمی آزاد می‌کنند. فرسایش و تجزیه کامپوزیت‌ها منجر به از دست دادن جرم خواهد شد و این امر فقدان استحکام سازه را در پی خواهد داشت. این امکان وجود دارد که استفاده از PMCها در سال ۲۰۰۹ در ایالات متحده به از دست دادن ۱۲ بیلیون دلار دارایی و مرگ ۳۰۰۰ تن در طول حریق منجر شده باشد [۲]. بنابراین تحقیقات گسترده‌ای به منظور بهبود کارایی PMCها در مقابل حریق انجام گرفته است.

آزمون‌هایی برای ساختارهای کامپوزیتی توسط الزامات مقاومت در برابر حریق نیروی دریایی ایالات متحده (MIL-STD-2031) به تصویب رسیده است که شامل شاخص اکسیژن (اصلاح شده ASTM D-2863)؛ تیره‌سازی دود (ASTM E-662)؛ شاخص گسترش شعله (ASTM E-162)؛ نرخ حرارت آزاد شده کالری‌متر مخروطی (ASTM E-1354)؛ آزمون سوختن کامل (مقاومت در برابر نفوذ شعله)؛ آزمون شاخص سه ماهه نیروی دریایی ایالات متحده (پتانسیل تخلیه الکتریکی غیر عادی)؛ سمیت دود (وجود مواد مافوق سمی)؛ آزمون حریق محیط باز در مقیاس بزرگ (ویژگی‌های احتراق و اطفاء در اتمسفر طبیعی) و آزمون حریق تحت فشار در مقیاس بزرگ (ویژگی‌های حریق و اطفاء در اتمسفر تحت فشار) می‌باشند. با این حال آزمایش‌های غربالگری به وسیله سوردیا و همکارانش انجام شد. این آزمایش‌ها آن‌ها را به این نتیجه رساند که پوشش‌های متورم کنونی برای حفاظت فضای عرشه کشتی یا ناو در طول سناریوهای حریق کافی نیستند و بنابراین نمی‌توان آن‌ها را جایگزین روکش ضخیم یا پوشش عایق حریق الیاف کرد. به عنوان مثال لازم است دمای cold-side ساختارهای کامپوزیتی بعد از اینکه به مدت ۳۰ دقیقه در برابر شار گرمایی خاص قرار گرفتند به کمتر از ۲۵۰ درجه فارنهایت کاهش پیدا کند. با این حال دمای cold-side کامپوزیت‌های پوشیده شده با روکش‌های متورم تجاری در حدود ۲۶۰ درجه فارنهایت بود. لازم به توضیح است که cold-side یک سوپر شارژر می‌باشد که روی جهت ورودی موتوری که دور از مانیفولد قرار دارد. تنها کامپوزیت‌های با ساختار ساندویچی که شامل ۳ اینچ هسته بالسا هستند، می‌توانند از آزمایش به سلامت گذر کنند. علاوه بر این سوردیا و همکارانش پیشنهاد کردند قبل از استفاده از پوشش‌های متورم، مسائلی مانند هزینه، کارایی و دوام پوشش‌ها در طول مدت استفاده باید به دقت مورد توجه قرار گیرد [۴.۳].

۲- بازدارنده‌های شعله برای ایمنی حریق پلیمرها

در سال ۱۹۵۰، صنعت پلیمر به سمت بازارهای بزرگ شروع به رشد کرد و تحقیقات در زمینه بازدارنده‌های حریق وارد عصر جدیدی شد. به سرعت مشخص شد که بازدارنده‌های غیر آلی شعله که قرن‌ها پیش توسعه یافت، اثر بسیار محدودی روی کاهش اشتعال‌پذیری پلیمرهای آب گریز که در حال افزایش محبوبیت نیز بودند، دارد. به این ترتیب، توسعه تکنولوژی بازدارنده حریق بعد از جنگ جهانی دوم و تا به حال بر روی بازدارنده‌های حریقی که سازگار با پلیمرها بود، متمرکز شد. دستاوردها در طول این دوره قابل توجه بود [۵]. به عنوان مثال، پارچه بادوام ضد شعله مانند du ponts erifon. titanium pigments titanax FR و محصولاتی از Cyanamid آمریکا به عنوان نمونه‌های موفق شناخته شده بودند. علاوه بر این، کاربردهای سیستم سینرژیم بازدارنده شعله هالوژن-آنتیموآن به عنوان یک مرحله مهم در زمینه شیمی بازدارنده‌های شعله در نظر گرفته شده بود؛ حتی امروز نیز به دلیل کارایی بالای آن یکی از مواد افزودنی اصلی و مهم برای کاهش اشتعال‌پذیری پلیمرها در صنعت به شمار می‌رود.

مکانیزم این بازدارنده شعله بدین صورت است که رادیکال‌های هالوژن می‌توانند به صورت موثر با یک عمل سریع به عنوان تله رادیکالی و با اندودسازی رادیکال‌های آزاد با انرژی بالا مانند HO و H در فاز بخار شعله را کند کنند. علاوه بر این، فرآورده HX مانند HBr و HCl غیرقابل اشتعال هستند و در فاز گازی، با خلق یک لایه گازی محافظ بالای فاز فشرده، از احتراق بیشتر پلیمر جلوگیری می‌کنند. علاوه بر این از طریق اکسید آنتیموآن (Sb2O3) رادیکال‌های هالوژن اثر بیشتری خواهند داشت. اکسید آنتیموآن به عنوان یک عامل کمکی عمل کرده، فعالیت افزودنی‌های هالوژنه را بهبود می‌بخشد که به نوبه خود باعث کاهش مقدار افزودنی‌های مورد نیاز خواهد شد.

ترکیبات هالوژنه دارای اثرات منفی زیست محیطی هستند و در هنگام سوختن دارای سمیت بسیار بالایی می‌باشند و این امر باعث انصراف بسیاری از کشورها برای استفاده از آن‌ها شده است [۷]. علاوه بر این، ترکیبات آلی هالوژنه به عنوان آلاینده‌های آلی پایدار شناخته شده‌اند که به راحتی شکسته یا اکسید نمی‌شوند. در نتیجه، استفاده از بی فنیل‌های چندکلر (PCB) در سال ۱۹۷۷ ممنوع شد و با توجه به شواهدی که نشان می‌دهد مواد شیمیایی می‌توانند در شیر موجود در سینه انسان تجمع یابند، اتحادیه اروپا (EU) چندین نوع از بازدارنده‌های شعله دارای برم را در سال ۲۰۰۸ ممنوع کرد. در همان سال، بسیاری از ایالت‌های ایالات متحده آمریکا و کشورهای دیگر در حال تحقیق روی پتانسیل خطرات پلی برماید دی فنیل اتر (PBDE) بودند. در سال ۲۰۰۹ سازمان ملی جوی و اقیانوسی ایالات متحده (NOAA) گزارشی را منتشر کرد که ادعا می‌کرد برخلاف گزارشات اخیر، PBDEها در تمامی مناطق ساحلی ایالات متحده یافت شده‌اند. علاوه بر این، چنین ذکر شده بود که بیش از ۸۰ درصد علل مرگ و میر در اثر حریق به علت گازهای سمی مانند اکسین‌ها و فوران‌های رها شده در اثر تجزیه بازدارنده‌های شعله هالوژنه موجود در محل بوده است [۱۱-۸]. بنابراین، مردم نیز برای یافتن نوع کم خطر بازدارنده‌های شعله شروع به جستجو کردند و به جای بازدارنده‌های شعله متورم، نظر خود را به سمت آلومینیوم، نیتروژن، فسفر و ترکیبات بورون معطوف داشتند. مکانیزم کلی این نوع از بازدارنده‌های شعله، رقیق سازی هر دو فاز متراکم و بخار پلیمر با نمک‌های غیرقابل اشتعال، اسیدها و محصولات جانبی مانند آب و آلومینا می‌باشد. مصرف بازدارنده‌های شعله حاوی برم در سال ۱۹۹۲ در جهان به اوج خود رسید. با این حال مواد افزودنی بازدارنده شعله حاوی آلومینیوم برای اولین بار در سال ۱۹۹۶ از آن پیشی گرفت و مقام اول را کسب نمود [۱۲].

اختراع سیستم‌های بازدارنده شعله متورم (IFR) نقطه عطف دیگری بود، الهام گرفته از این واقعیت که شاخص اکسیژن محدود و معین کربن (LOI) تقریباً بالاست (در حدود ۶۵ درصد). کلمه متورم (intumescent) اولین بار در سال ۱۹۴۸ توسط اولسن و بشل مورد استفاده قرار گرفت تا پدیده برجسته شدن در اثر مواجهه با گرما را شرح دهند. مولکول‌های بازدارنده شعله متورم ترکیبی از یک منبع اسیدی، منبع کربنی و منبع کف زای می‌باشند. در طول فرآیند احتراق، منبع کف زای بازدارنده شعله می‌تواند موجب متورم شدن تمام ماده شود. منبع کربن به مواد سوخته کربنی تجزیه شده و از سازه‌های زیربنایی به وسیله مهار جرم و جریان گرما محافظت می‌کند. منبع اسیدی بازدارنده‌های شعله به عنوان یک کاتالیزور عمل کرد تا با تحریک واکنش گرماکافت پلیمر، موجب تجزیه پلیمر به مواد حاصل از احتراق شوند. نوعی از بازدارنده شعله متورم که به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است، پلی فسفات آمونیوم (APP) می‌باشد [۵]. IFR در مقایسه با بازدارنده‌های شعله هالوژنه، از سال ۱۹۸۰، درست زمانی که نگرانی مردم درباره مسائل بهداشتی و زیست محیطی افزایش یافت، به سرعت در حال رشد بوده است.

دستاورد مهم دیگر در زمینه بازدارنده‌های شعله، توسعه بازدارنده‌های شعله واکنش‌پذیر به منظور بهبود کارایی حریق پلی استرها بود. بازدارنده‌ها در گام نهایی سنتز پلی استر رزین به پلی استرهای اشباع نشده، متصل شده و امکان پایداری طولانی مدت در مقابل حریق را برای اموال فراهم می‌کنند [۵]. در نتیجه، نشت شیمیایی در میان پلیمرهای بازدارنده شعله برم دار ظاهر شده بود، در این مورد اتفاق نخواهد افتاد. محصولاتی از قبیل Eohoehzehzel, DBS و تری برموفنول از آن جمله اند.

علاوه بر روش اضافه کردن مواد افزودنی به پلیمر، راه دیگری نیز برای بهبود بازدارنده‌های شعله PMC وجود دارد که عبارتست از بهبود ذاتی مقاومت دربرابر شعله در پلیمرها. پلیمرهایی که تحت عنوان «ذاتاً مقاوم در برابر حریق» سنتز شده‌اند کارایی بیشتری در مقابل واکنش احتراق از خود نشان می‌دهند. تنها پلیمرهای ذاتاً ضد شعله در دماهای بالا تجزیه می‌شوند. در توسعه پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت برخی مسائل باید در نظر گرفته شود. اول، ترکیباتی که مورد استفاده قرار گرفته‌اند باید دارای پیوندهای کووالانسی قوی باشند. برای به حداکثر رساندن انرژی پیوندی، حلقه‌های پلیمر آروماتیک باید تشدید و تثبیت شده باشد. علاوه بر این در میان تمام حلقه‌های در ساختار نباید نقاط ضعیف یا پیوندهای تحت کشش وجود داشته باشد. تمامی زوایای پیوندی باید در حالت طبیعی قرار داشته باشند. علاوه بر این، پایدارترین پلیمر نردبان (یک پلیمر مانند DNA شامل دو زنجیره به هم تابیده که توسط پیوندهای هیدروژنی یا شیمیایی در فواصل مرتب به هم مرتبط شده اند) که دارای پیوندهای چندگانه با چندین مرکز است باید مورد استفاده قرار گیرد.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت خودرو

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت پزشکی زیستی

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت هوافضا

⇐ ایمنی نانو ذرات در صنایع غذایی