قصة نجاح العميل
اختبار الحرائق لألياف البولي أكريلونيتريل المستقرة (PAN)
في المستقبل، سيتم استخدام محلل مؤشر الأكسجين NETZSCH TAURUS LOI 901 في مختبر الكربون في ساكسونيا لتحليل ألياف البان المستقرة حراريًا - والمعروفة أيضًا باسم ألياف البريوكس - والبحث عن بدائل مستدامة مثل السلائف القائمة على السليلوز أو اللجنين."
هذه قصة نجاح العميل التي كتبتها الدكتورة كلوديا فوغت، باحثة مشاركة في جامعة كيمنتس التقنية في قسم الهياكل خفيفة الوزن وتكنولوجيا البوليمرات في مجال أبحاث ألياف الكربون وتقنيات المعالجة. وتقدم تقريرًا عن التحقيقات في التطبيقات المستقبلية لألياف Preox باستخدام محلل مؤشر الأكسجين NETZSCH TAURUS LOI 901. أصبح التحقيق في ألياف Preox جزءًا لا يتجزأ من مراقبة العمليات في مركز الأبحاث الذي يتم إنشاؤه حاليًا في بوكسبرج والمعروف باسم مختبر الكربون في ساكسونيا. وقد تم تطوير حامل عينات جديد لعينات الألياف بالتعاون الناجح مع مختبر تطبيق TAURUS NETZSCH.
“NETZSCH تقدم خدمة عملاء ممتازة. في أثناء بحثي عن حامل عينة مناسب لأداة مؤشر الأكسجين المحدود LOI 901 ، لاحظت أن الملحقات لم تتضمن حامل عينة من الألياف. بعد استفساري، تلقيت على الفور أفكارًا أولية من NETZSCH لتطوير حامل عينة مخصص استنادًا إلى مادة الألياف Preox الخاصة بنا.”
نبذة عن جامعة كيمنتس للتكنولوجيا
جامعة كيمنتس للتكنولوجيا (الشكل 1) هي جامعة عالمية ذات شبكات إقليمية ووطنية ودولية قوية. فهي تضم حوالي 2,300 موظف أكاديمي وإداري بالإضافة إلى أكثر من 8,600 طالب من حوالي 90 دولة. وبالتالي فهي ثالث أكبر جامعة في ساكسونيا (اعتبارًا من عام 2024).
من حيث نسبة الطلاب الأجانب، تحتل جامعة كيمنتس للتكنولوجيا مركزاً متقدماً بين الجامعات الحكومية على مستوى البلاد. تُصنَّف كيمنتس، عاصمة الثقافة الأوروبية لعام 2025، من بين أفضل عشر مدن ألمانية كبيرة للعيش فيها، وفقاً لدراسة حديثة، وتتميز بجودة حياة استثنائية. كما تضم المدينة أيضاً نسبة عالية من الموظفين المؤهلين تأهيلاً عالياً بشكل ملحوظ، ويرجع ذلك جزئياً إلى وجود الجامعة large. تُعد جامعة كيمنتس للتكنولوجيا القلب الفكري للمدينة، وقد تطورت لتصبح موقعاً بحثياً مرموقاً على المستوى الدولي لعمليات خلق القيمة المستقبلية والتنمية المستدامة.
نبذة عن مختبر الكربون في ساكسونيا
يعد "مختبرالكربونفيساكسونيا" (CLFS) في بوكسبرغ، لوساتيا العليا، ألمانيا، مشروعًا رئيسيًا مخصصًا للبحث والتطوير في مجال ألياف الكربون على نطاق خط تجريبي. وتركز المنشأة البحثية الجديدة على استخدام بدائل مستدامة للسلائف البتروكيماوية، مثل البولي أكريلونيتريل، باستخدام السليلوز أو اللجنين، على سبيل المثال. ويتم إنتاج ألياف الكربون من خلال عملية حرارية متعددة الخطوات. كما يأخذ مركز أبحاث الألياف الكربونية في الاعتبار سلسلة القيمة بأكملها - من المواد الخام إلى المكونات النهائية - ويركز بشكل خاص على استدامة العمليات.
في مركز بحوث CLFS هو تصنيع ألياف الكربون ومعالجتها، على سبيل المثال، بمساعدة آلات النسيج التي ستكون متاحة أيضًا في الموقع. يتم تنفيذ عملية التثبيت والكربنة اللاحقة للسلائف مثل البولي أكريلونيتريل أو السليلوز أو اللجنين في مصنع الكربنة على نطاق تجريبي. يستخدم هذا المصنع لتنفيذ خطوات العملية الأساسية لإنتاج ألياف الكربون عالية الجودة. تتم معالجة المادة السليفة أولاً حرارياً في أفران تثبيت خاصة عند درجات حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية و300 درجة مئوية. ثم تتم الكربنة بعد ذلك في جو غازي وقائي على مرحلتين: في فرن بدرجة حرارة منخفضة تصل إلى 1200 درجة مئوية ثم في فرن بدرجة حرارة عالية تصل إلى 2200 درجة مئوية. ومن خلال ضبط معلمات العملية بدقة، يمكن التحكم في خصائص تصنيع ألياف الكربون وتحسينها.
إعادة التدوير وإعادة التدوير
ومن المجالات البحثية التطلعية الأخرى تطوير المواد والمنتجات القابلة لإعادة التدوير، بما في ذلك استراتيجيات إعادة التدوير وإعادة التدوير لزيادة كفاءة الموارد وتقليل الأثر البيئي. الهدف هو إنشاء دورات مواد ذات حلقة مغلقة، بما في ذلك استعادة المواد من نفايات الإنتاج.
سيساهم مركز CLFS، الذي سيتم إنشاؤه كفرع لجامعة كيمنتس للتكنولوجيا في لوزاتيا العليا (الشكل 3)، مساهمة كبيرة في التحول المستدام للمنطقة التي تأثرت بشدة بالتغيير الهيكلي الناجم عن التخلص التدريجي من الفحم. سيؤدي التعاون مع معهد فراونهوفر لأبحاث البوليمر التطبيقية(Fraunhofer IAP) وجامعة براندنبورغ للتكنولوجيا في كوتبوس-سينفتنبرغ (BTU) إلى إنشاء بنية تحتية بحثية فعالة تسمح بتطوير منتجات مبتكرة خفيفة الوزن من أنواع جديدة من ألياف الكربون. ينصب تركيز IAP الرئيسي في هذا المسعى على إنتاج سلائف مستدامة، على سبيل المثال، من السليلوز، وتحويلها على نطاق مختبري.
وسيكون التركيز الخاص للبحوث في بوكسبرغ على قابلية التوسع الصناعي للتقنيات. سيسهل نطاق المصنع التجريبي نقل العمليات والمواد المطورة إلى التطبيقات الصناعية. ويتطلب ذلك تعاونًا وثيقًا بين المؤسسات البحثية والشركاء الصناعيين لضمان أن تكون الحلول المطورة قابلة للتطبيق اقتصاديًا ومستدامة.
من خلال النهج والفرص الموصوفة، يضطلع "مختبر الكربون في ساكسونيا" بدور رائد في التطوير الأوروبي للألياف الكربونية المستدامة. وبفضل نهجه الشمولي، الذي يشمل سلسلة القيمة بأكملها ويستهدف الابتكار البيئي، يساهم مختبر الكربون في مستقبل لا تكون فيه ألياف الكربون عالية الأداء فحسب، بل صديقة للبيئة أيضًا. وبالتالي فهي تقدم مساهمة مهمة في تحقيق الأهداف المناخية الأوروبية ومستقبل محايد لغازات الاحتباس الحراري.
كلوديا، يرجى تقديم نفسك ومجال بحثك وتطبيقك.
اسمي كلوديا فوغت. أنا حاصلة على درجة الدكتوراه في الكيمياء وأعمل كمساعدة باحث في قسم الهياكل خفيفة الوزن ومعالجة البوليمرات (SLK) في جامعة كيمنتس للتكنولوجيا منذ أغسطس 2023، وتحديدًا في مجال أبحاث ألياف الكربون وتقنيات المعالجة.
أشارك حاليًا في التخطيط المخبري لمختبر الكربون في مختبر الكربون في ساكسونيا، وسأكون مسؤولاً بشكل أساسي عن مسائل التحليل الكيميائي لألياف الكربون أو مراحلها الوسيطة (ألياف البيريوكس) أو المنتجات النهائية (مثل المركبات والأقمشة النسيجية). وتتراوح المجموعة الواسعة من المعدات التحليلية المتاحة لنا من اختبار مثبطات اللهب باستخدام LOI إلى التحليل الحراري (على سبيل المثال، STA، TMA) وتحديد خصائص السطح باستخدام قياس الشد. يعمل فريقنا معاً بشكل وثيق وأيضاً يداً بيد.
منذ متى يستمر التعاون مع NETZSCH ؟
يعمل أساتذة SLK مع NETZSCH منذ سنوات عديدة. يستخدمون بشكل روتيني أدوات التحليل الحراري (TGA، DSC) لحل المشاكل في مجال البوليمر.
لماذا اخترت NETZSCH ؟ هل اختبرت أيضًا دعم وخدمة العملاء لدينا؟
إلى جانب مجموعة متنوعة من الأدوات، يقدم NETZSCH أيضًا خدمة عملاء ممتازة. في أثناء بحثي عن حامل عينة مناسب لأداة مؤشر الأكسجين المحدد، لاحظت أن الملحقات لم تتضمن حامل عينة من الألياف. بعد استفساري الأولي، تلقيت على الفور عرضًا لتطوير حامل عينة مخصص بناءً على مادة العينة. وفي غضون وقت قصير جدًا، تلقيت الأفكار الأولية لحامل العينة هذا من مختبر التطوير NETZSCH.
حامل العينات المخصص NETZSCH LOI 901
ستيفان ستريكمان، المبيعات وحلول التطبيقات لاختبار الحرائق في NETZSCH ، يفيد:
"بصفتنا خبيرًا في اختبار الحرائق وأدوات التوصيل الحراري، فإن NETZSCH TAURUS متخصص في تصنيع أدوات عالية الدقة. وهذا يشمل LOI 901 ، الذي يُستخدم لتقييم سلوك الاحتراق للمواد من خلال تحديد مؤشر الأكسجين (LOI = مؤشر الأكسجين المحدود) وفقًا لمعيار ISO 4589-2 و ASTM D 2863. تواصلت معنا جامعة كيمنتس للتكنولوجيا بطلب التمكن من إجراء اختبارات سلوك حريق محددة على ألياف البيريوكس (الشكل 5)، وهي مادة خاصة. لاستيعاب الخصائص الفريدة لهذه العينة، قمنا بتطوير واستخدام حامل عينة خاص للاختبارات. وكان الهدف من ذلك هو توثيق منهجية هذه الاختبارات وإعدادها ونتائجها، والتي توفر بيانات قيمة عن سلوك ألياف Preox في درجة حرارة الغرفة عند نشوب الحرائق."
تمثل ألياف البيريوكس تحديًا خاصًا في اختبار سلوك الحرائق بسبب طبيعتها الخيطية الدقيقة. ولضمان سلامة العينة أثناء الاختبار، تم تصميم حامل عينة خاص وتصنيعه بعناية.
يوفر هذا الحامل المخصص للعينة قبضة آمنة لألياف البيريوكس، مما يتيح إجراء قياسات دقيقة وموثوقة لسلوكها الناري من أجل نجاح الاختبار.
النتائج
أثناء الاختبار، تم التحكم في درجة الحرارة المحيطة بعناية والحفاظ عليها عند 23 ± 2 درجة مئوية لضمان ظروف الاختبار المثلى. وعادةً ما يتم اختيار تركيز الأكسجين الأولي للاختبار بناءً على خبرتنا الواسعة مع المواد المماثلة. وبما أنه لم يكن لدينا خبرة كبيرة في ذلك الوقت مع ألياف البيريوكس، فقد راجعنا الأدبيات ذات الصلة ووجدنا أن هذه المادة تحتوي على نسبة عالية من LOI بشكل ملحوظ، وغالبًا ما تزيد عن 45%.
ولكي نكون في الجانب الآمن، بدأنا الاختبارات بتركيز أكسجين بنسبة 40%. لم يلاحظ أي اشتعال لألياف البريوكس عند هذا المستوى. ثم قمنا بزيادة تركيز الأكسجين تدريجيًا، مع مراقبة كل خطوة بعناية. بين 40٪ و45٪ من الأكسجين، لم يكن هناك أي لهب مرئي، ولكن العينة أظهرت علامات التدهور الحراري: ذابت ثم اختفت، مما يشير إلى تحول كبير دون احتراق.
حدث أول احتراق مستدام عند تركيز أكسجين بنسبة 60% تقريبًا. عند هذا المستوى، اشتعلت ألياف البريوكس واحترقت بشكل منتظم، مما يؤكد احتياجها العالي للأكسجين للاشتعال مقارنة بالمواد التقليدية الأخرى. ويجري حاليًا إجراء المزيد من الاختبارات لتحديد مؤشر الأكسجين النهائي. تتوافق هذه النتيجة الأولية مع الفائدة المبلغ عنها من قيمة LOI المرتفعة، والتي تسلط الضوء على مقاومة الاحتراق في البيئات منخفضة الأكسجين.
كلوديا، يرجى إخبارنا بالمزيد عن تطبيقك المحدد. كيف ستساعدك النتائج في تحسين البحث ومراقبة الجودة والتطوير والإنتاج؟
كما سبق ذكره، فإن إنتاج ألياف الكربون هو عملية حرارية متعددة المراحل. وتعتبر الخطوة الأولى، التي يتم فيها تثبيت المادة السليفة حراريًا، حاسمة بشكل خاص للبولي أكريلونيتريل. فبدون هذه المعالجة المسبقة، ستكون ألياف البولي أكريلونيتريل عرضة للتدهور تحت الضغط الحراري العالي. ومن ثم فإن التحول الهيكلي المعقد لألياف البولي أكريلونيتريل إلى ألياف البولي أكريلونيتريل شرط أساسي لإنتاج ألياف الكربون من البولي أكريلونيتريل. ويمكن التحكم في عملية التثبيت الحراري هذه من خلال العديد من العوامل المؤثرة (على سبيل المثال، معدل التسخين، وملف درجة الحرارة). يتم استخدام LOI (الشكل 7) للتحقق من درجة استقرار ألياف البيريوكس. وكلما ارتفعت نسبة LOI لألياف البيريوكس التي تم فحصها، كلما كانت معلمات العملية المستخدمة واعدة. يسمح هذا النهج بالتعديل السريع لمعلمات العملية أثناء الحملات البحثية الجارية. كما أنه بمثابة مراقبة مستمرة لجودة المرحلة الوسيطة لألياف الكربون.
عزيزتي كلوديا، شكراً جزيلاً لكِ على رؤيتك في هذا البحث الرائد. ونحن نتطلع إلى سماع المزيد من الأخبار ونتائج الأبحاث من مختبر الكربون في مختبر الكربون في ساكسونيا قريباً.
حول NETZSCH LOI 901
تتمتع المواد البلاستيكية بمزايا محددة مقارنةً بمواد أخرى مثل المعادن أو السيراميك أو المواد الطبيعية، خاصةً في صناعات السيارات والفضاء والإلكترونيات والبناء، لأنها أخف وزناً وأكثر تنوعاً وأكثر مقاومة للتآكل، واعتماداً على المتطلبات، إما موصلة للكهرباء أو عازلة وغالباً ما تكون أكثر فعالية من حيث التكلفة.
يلعب سلوك الحرائق للبوليمرات المستخدمة دوراً مهماً في تقييم سلامة المكونات والتركيبات وقابليتها للتطبيق. إذا اشتعل أحد المكونات البلاستيكية فإن انبعاث الغازات السامة إلى حد كبير أثناء الاحتراق والانتشار السريع للحريق يمكن أن يؤدي بسرعة إلى حالات خطيرة ومهددة لحياة الناس والبيئة.
جهاز LOI 901 هو أداة عالية الدقة لتحديد سلوك احتراق البوليمرات وفقًا لمعايير ISO 4589-2 و ASTM D2863 المعترف بها. الجهاز مزود بغرفة احتراق خاصة ويستخدم جوًا من الأكسجين المتحكم فيه لتحديد مؤشر الأكسجين وقابلية اشتعال البلاستيك وزمن الاحتراق ومسافة الاحتراق.
