Dinamik bağlı selüloz nanokristal hidrojelleri: Yapı, reoloji ve alev önleme performansı

Alev geciktiriciler, yanıcılıklarını azaltmak ve yangının yayılmasını yavaşlatmak için malzemelere katılan kimyasal katkılardır. Geleneksel alev geciktiriciler halojenli bileşikler ve organofosfatlardan oluşur ve uzun süredir kullanılmaktadır. Yangın güvenliğini arttırmada etkili olmasına rağmen, bu geleneksel malzemelerin sağlık ve çevre için risk oluşturduğu kanıtlanmıştır. Olumsuz etkileri en aza indirirken etkili yangın koruması sağlamak için sürdürülebilir alternatiflere ihtiyaç vardır. Nişasta bazlı bileşikler veya selüloz türevleri gibi biyo bazlı malzemeler, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri ve toksisite eksikliği nedeniyle sürdürülebilir seçenekler olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Esas olarak selüloz nanokristalleri (CNC'ler), selüloza kıyasla üstün mukavemetleri, modülleri, yüzey alanları ve sıvı kristal özellikleriyle öne çıkmakta ve en önemlisi modifiye edilebilirlikleri, malzeme bilimindeki yenilikçi uygulamalarda kullanılmalarına olanak sağlamaktadır. Hidrojellerin, malzemelerin yanıcılığını azaltmada çok önemli bir rol oynayan bir özellik olan karmaşık yapıları içinde suyu emme ve tutma yetenekleri göz önüne alındığında, yeşil alev geciktirici kaplama olarak kullanılma konusunda önemli bir vaadi vardır. Dinamik olarak bağlanan hidrojeller, tersinir fiziksel etkileşimlerle karakterize edilir ve önemli avantajlar sunar. Kendi kendini iyileştirme yetenekleri, kolay işleme için kesmeyle incelme davranışları ve dış uyaranlara tepki verme özellikleri, onları çeşitli uygulamalar için ideal kılmaktadır. Tasarımdaki çok yönlülük, rahat durumda azaltılmış sertlik ve biyouyumluluk, çeşitli alanlarda yenilikçi ve özel çözümlere yönelik potansiyellerini vurgulamaktadır. Bor bazlı alev geciktiriciler şişen sistemleri kolaylaştırır, özellikle selülozik maddelerle etkili bir şekilde sinerji oluştururlar ve kömürleşmeyi teşvik ederek alev geciktirici özelliklerini geliştirirler. Bu çalışmada boraks ile çapraz bağlanarak CNC'ler arasında dinamik bir hidrojel ağı oluşturmayı amaçladık. Boraksın çapraz bağlayıcı olarak kullanılması ikili etkiler yarattı: Bor-ester bağları yoluyla dinamik ağ oluşumunu kolaylaştırdı ve CNC'lerle birleştirildiğinde alev geciktirici özellikleri arttırdı. İlk olarak CNC ve boraks konsantrasyonlarını ayrı ayrı değiştirerek CNC-boraks hidrojel ağının jelleşme davranışını açıkladık. Bu nedenle hem boraks hem de CNC değişkenleri için morfolojik ve viskoelastik özelliklerin konsantrasyona bağımlılığı çözüldü. Hem CNC'nin hem de boraksın, farklı prensiplerde jellerin sertliğini arttırmada çok önemli bir rol oynadığını bulduk. Boraksın varlığı, ağa kayda değer kendi kendini iyileştirme özellikleriyle dinamik özellikler kazandıran bor-ester bağı oluşumunu kolaylaştırarak düşük konsantrasyonlarda CNC jelleşmesini tetiklemek için gereklidir. Jeldeki daha yüksek boraks konsantrasyonları, polarize optik mikroskopi görüntülerinde çözünmemiş boraks kristallerinin varlığıyla karakterize edildi. Bu nedenle, bu jellerin bileşimi hem çözünmüş borakstan kaynaklanan borat iyonlarını (yani borik asit ve tetrahidroksiborat) hem de farklı boyutlarda çözünmemiş boraks kristallerini içermektedir. Öte yandan CNC'ler, moleküller arası etkileşimler ve H-bağları yoluyla kendi kendini destekleyen ağlar oluşturma yetenekleri nedeniyle ağın sertliğinin arttırılmasında önemli bir rol oynadı. Jellerin uygulanabilirlik kolaylığı çam ağacı yüzeyine yayılarak değerlendirildi. Daha yüksek boraks içeriğine sahip jeller daha iyi kontrol ve dağıtım sağlarken, daha zayıf jellerin damlama eğiliminde olduğu bulundu. Bu bulgular bize etkili, kolayca uygulanabilir ve sürdürülebilir hidrojel malzemelerin geliştirilmesi konusunda değerli bilgiler sağladı. Devamında, kaplanmamış ahşap ve ıslak ahşabı referans alarak alev geciktirici kaplamaların çam ağacı alt katmanlarının yanıcılığı üzerindeki performansını değerlendirdik. Önceki çalışmaya benzer şekilde, her iki bileşenin de alev geciktirici özelliklerine katkısı, konsantrasyonları değiştirilerek değerlendirildi. Yangın testi sonuçları, CNC-Boraks hidrojel kaplamanın ahşap alt tabakanın yanıcılığını önemli ölçüde arttırdığını ortaya çıkardı. Spesifik olarak hem çözünmemiş hem de çözünmüş boraks parçaları içeren hidrojeller, olağanüstü yangın önleme performansı sergiledi. Bunun nedeni borik asit ve boraksın uyumlu çalışmasıydı; için için yanma ve parlama davranışı borik asit ile kontrol edilirken, alevin yayılması boraks ile sağlanmıştır. Kombinasyon halinde, yüksek termal stabiliteye sahip camsı ve sağlam kömür tabakası oluşumunu desteklediler ve yanıcı ahşap alt tabakayı korudular. Sonuç olarak, hidrojel kaplama, alev sönme süresini hızlandırırken tutuşma süresini önemli ölçüde geciktirdi. Hidrojel kaplı ahşapların sınırlayıcı oksijen indeksi (LOI) ve yangın performansı indeksi (FPI) büyük ölçüde arttı. Jellerin uygulama sonrası sürdürülebilir etkinliğinin incelenmesi, alev geciktirici uygulamalarda göz önünde bulundurulması gereken bir diğer hayati husustur. Bu nedenle, jellerin ilk uygulamasından kalan film kalıntısının etkinliğini değerlendirmek için numunelerin yeniden ateşlenmesiyle ikinci bir yangın durumu simüle edildi. Genişletilmiş yangın koruma etkisi, maddelerin bütünlüğünün zarar görmesini önlemedeki etkinliğini kanıtlamıştır. CNC-Boraks hidrojelleri, alev geciktirici uygulamalar için etkili çözümler olarak önemli bir umut vaat etmektedir. Bu senaryolardaki etkinlikleri, özellikle orman yangınları veya orman yangını durumlarıyla mücadeleyle ilgili, çevreye duyarlı alev geciktiricilerin geliştirilmesi için yeni yollar açıyor. Ahşap ve çim gibi selülozik malzemelerin yanıcı yakıt olarak kullanıldığı aşırı sıcak ve kuru iklimlerde orman yangınlarının yaygınlığı göz önüne alındığında, CNC-Boraks jellerinin kurutma işleminden sonra verimliliğinin sağlanması hayati önem taşımaktadır. Bu uzun süreli etkinlik, onları zorlu durumlarda kullanıma özellikle uygun hale getirerek, gelişmiş yangın korumasına ve güvenlik önlemlerine katkıda bulunur.