لماذا يتحول لون الزجاج المقاوم للحريق ذو الجودة المنخفضة إلى الأصفر؟

لماذا يتحول لون الزجاج المقاوم للحريق رديء الجودة إلى الأصفر؟ تحليل فني لعيوب المواد وآليات التدهور

يُعدّ الزجاج المقاوم للحريق مادة بناء أساسية، مصممة للحفاظ على سلامة الهيكل وشفافيته في درجات الحرارة العالية، مما يُتيح وقتًا للإخلاء الآمن أثناء الحرائق. ومع ذلك، غالبًا ما يُظهر الزجاج المقاوم للحريق منخفض الجودة اصفرارًا مع مرور الوقت، مما يُؤثر سلبًا على جماليته، وقد يُشير إلى انخفاض مقاومته للحريق. تتناول هذه المقالة الأسباب الجذرية لاصفرار الزجاج المقاوم للحريق دون المستوى المطلوب من منظور علم المواد، مستكشفةً الآليات الكيميائية والفيزيائية الكامنة وراء هذه الظاهرة.

1. بنية ووظيفة الزجاج المقاوم للحريق

يتكون الزجاج المقاوم للحرارة عادةً من طبقات متعددة من الزجاج غير العضوي (مثل سيليكات الصودا والجير) مترابطة مع مادة بينية، مثل هلام السيليكات المائي أو الراتنج أو البوليمرات. أثناء الحريق، تمتص الطبقة الداخلية الحرارة، وتُطلق الماء المحتجز، وتُشكل حاجزًا رغويًا عازلًا يمنع اللهب (الشكل 1). تعتمد فعالية هذه العملية على نقاء الطبقة الداخلية وثباتها ودقة تصنيعها.
في حالة جمهورية ألمانيا الاتحادية منخفض الجودة، تؤدي تدابير خفض التكاليف - مثل المواد الخام غير النقية أو ضوابط الإنتاج الضعيفة - إلى حدوث تغييرات كيميائية أو فيزيائية مبكرة في الطبقة المتوسطة، مما يؤدي إلى الاصفرار حتى قبل التعرض للنار.

2. خمسة أسباب رئيسية للاصفرار في جمهورية ألمانيا الاتحادية منخفض الجودة

2.1 الأكسدة بسبب المواد الخام غير النقية

غالبًا ما تحتوي الطبقات البينية غير القياسية على كبريتيدات (مثل FeS₂)، أو بقايا عضوية، أو أيونات معدنية غير مكررة (مثل الحديد والمنجنيز). تتأكسد هذه الشوائب عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو في الظروف الرطبة.

• أكسدة الكبريتيد: يتفاعل FeS₂ مع الأكسجين لتكوين أيونات الحديد³⁺ والكبريتات (لذا₄²⁻)، مما ينتج عنه لون بني مصفر.

• تكوين الكروموجرافيا بأيونات المعادن: يتأكسد الحديد²⁺ إلى الحديد³⁺، مكونًا كروموفورات [أكسيد الحديد₆]⁻ داخل مصفوفة السيليكات. تمتص هذه التراكيب الضوء الأزرق، مما يؤدي إلى ظهور اللون الأصفر.
  دراسة حالة: تحولت دفعة من الغاز الصناعي الفيدرالي منخفض التكلفة في الصين إلى اللون الأصفر خلال عام واحد بسبب هلام السيليكا الملوث بالحديد.

2.2 التحلل الضوئي التأكسدي للطبقات البينية للبوليمر

قد تستخدم راتنجات جمهورية ألمانيا الاتحادية الرخيصة راتنجات أكريليك منخفضة الجودة أو بولي فينيل بوتيرال (بي في بي) بدون مثبتات للأشعة فوق البنفسجية. تحت أشعة الشمس (280-400 نانومتر من الأشعة فوق البنفسجية)، تتحلل هذه البوليمرات عبر:

• تفاعلات نوريش من النوع الثاني: تمتص مجموعات الكربونيل (C=O) طاقة الأشعة فوق البنفسجية، مما يُحفز انقسام السلسلة وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. يُنتج هذا روابط مزدوجة مترافقة (مثل الألكينات أو المركبات العطرية)، والتي تمتص الضوء الأزرق (450 نانومتر) وتُسبب الاصفرار.
  البيانات: أظهرت اختبارات الشيخوخة المتسارعة أن طبقات بي في بي الخالية من مثبطات الأشعة فوق البنفسجية تظهر زيادة في مؤشر الاصفرار (ΔYI) من 1.2 إلى 8.5 بعد 500 ساعة من التعرض لمصباح زينون.

2.3 التاريخ الحراري و"ما قبل الشيخوخة"

يؤدي ضعف التحكم في درجة الحرارة أثناء التصفيح (على سبيل المثال، تجاوز 150 درجة مئوية أو ارتفاع درجة الحرارة الموضعية) إلى التدهور الحراري:

• تجفيف هلام السيليكا: تفقد سيليكات الصوديوم المائية (نا₂ثاني أكسيد السيليكون₃·نH₂O) الساخنة الماء المرتبط بها، مما يؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد السيليكون₂ غير متبلور مع مراكز عيب مرتبطة بـNa⁺ والتي تمتص الضوء.

• الترابط المتبادل للراتنج: تشكل راتنجات الإيبوكسي المعرضة للحرارة الزائدة هياكل عطرية كثيفة، تمتص الضوء المرئي بقوة (380–500 نانومتر).
  على سبيل المثال: أدت دفعة إنتاج بها عناصر تحكم في درجة حرارة المغلفة معيبة إلى ظهور طبقة صفراء غائمة في غضون ثلاثة أشهر من التثبيت.

2.4 الهجرة المضافة وفصل الطور

غالبًا ما تحتوي ألواح جمهورية ألمانيا الاتحادية منخفضة التكلفة على مثبطات لهب غير متوافقة (مثل إيثر ثنائي الفينيل العشاري) أو مواد ملدنة (مثل الفثالات). تنتقل هذه المواد المضافة إلى السطح بمرور الوقت، مما يتسبب في:

• إثراء السطح: تتجمع مثبطات اللهب عند واجهة الزجاج والراتنج، لتشكل جزيئات بحجم الميكرون تعمل على تشتيت الضوء (تشتت مي)، مما يخلق ضبابًا أصفر حليبيًا.

• تفاعلات التحلل المائي: تتحلل الملدنات الفثالاتية في البيئات الرطبة إلى حمض الفثاليك، الذي يتفاعل مع أيونات المعادن لتكوين مركبات صفراء.

2.5 تسرب الملوثات البيئية

يؤدي ضعف الإغلاق في جمهورية ألمانيا الاتحادية منخفض الجودة إلى السماح للغازات الحمضية (لذا₂، أكاسيد النيتروجين) أو المركبات العضوية المتطايرة (المركبات العضوية المتطايرة) بالتغلغل في الطبقة المتوسطة:

• النقش الحمضي: يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع الرطوبة لتكوين H2SO₃، مما يؤدي إلى تآكل شبكة السيليكات وإطلاق أيونات الحديد³⁺ أو من³⁺. تتفاعل هذه الأيونات مع الكبريتات لتكوين مركبات حديد-كبريت صفراء (مثل أكسيد الحديد₄).

• الاصفرار الأميني: تتفاعل المقويات القائمة على الأمين (على سبيل المثال، إيثيلين ديامين) في الطبقة المتوسطة مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين الكاربامات، التي تتأكسد إلى هياكل الكينون تحت الضوء، مما ينتج عنه درجات اللون الأصفر الداكن.

3. استراتيجيات التخفيف ومراقبة الجودة

1. تنقية المواد الخام: استخدم التبادل الأيوني لإزالة الحديد³⁺/من²⁺ من هلام السيليكا، مع ضمان محتوى الكبريت <50 جزء في المليون.

2. إضافات التثبيت: قم بدمج 0.5-2% من ممتصات الأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال، بنزوتريازولات مثل تينوفين 326) أو مثبتات الضوء الأمينية المعوقة (هالس) في طبقات البوليمر.

3. تحسين العملية: التحكم الصارم في درجات حرارة الترقق عند 130 ± 5 درجة مئوية واستخدام التهوية الفراغية لمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعية.

4. تصميم التوافق: استبدال مثبطات اللهب المبرومة ببدائل تعتمد على الفوسفور (على سبيل المثال، دوبو) وتعزيز التوافق من خلال تعديل الطعم.

4. الخاتمة

يُعدّ اصفرار فولاذ جمهورية ألمانيا الاتحادية منخفض الجودة مظهرًا واضحًا لعيوب المواد والتفاعلات البيئية، ويعود ذلك إلى المكونات الملوثة بالشوائب، وسوء التصنيع، وعدم كفاية مقاومة الشيخوخة. من خلال إعطاء الأولوية لنقاء المواد، وتكامل المُثبِّتات، والهندسة الدقيقة، يمكن للمصنعين الحدّ من الاصفرار وضمان متانة فولاذ جمهورية ألمانيا الاتحادية وسلامته.

الكلمات الرئيسية الأساسية:
اصفرار الزجاج المقاوم للحريق، التحلل الضوئي التأكسدي، تكوين اللون الأيوني المعدني، الشيخوخة الحرارية المسبقة، الهجرة المضافة، التلوث البيئي