در بسیاری از کاربردها نیاز به یک عایق دائم به دلایل مختلف وجود ندارد به صورتی که در این موارد نیاز است تا پوشش‌های مختلفی اعم از تجهیزات، ساختمان‌ها و حتی انسان را به طور موقت در مقابل شعله یا حرارت مستقیم محافظت نمود. از این رو، در چنین مواردی نیاز به پوششی وجود دارد که امکان ایجاد بازدارندگی حرارتی را برای مدتی ایجاد نماید. ساخت ژل‌های ضد حریق از جمله راهکارهای کارآمد در این موارد است. این ژل‌ها از طریق ایجاد یک لایه مقاوم به انتقال حرارت و جاذب حرارت بر روی سطوح به عنوان یک محافظ و عایق موقت و مقطعی قوی جهت جلوگیری از خطرات و آسیب‌های حاصله از حرارت و یا شعله مستقیم عمل می‌نماید، بدین صورت که لایه سطحی ژل فوق،حرارت را از شعله گرفته و به دلیل ظرفیت بالای حرارتی مقدار بیشتر حرارت را در خود نگه می‌دارد و پس از اشباع شدن، حرارت اضافه را به لایه زیرین خود انتقال می‌دهد.
نگاهی به نمونه های تولید شده
در این پروژه به کمک پلیمر ابر جاذب آب پتاسیم پلی‌اکریلات، ژل ضد آتش سنتز گردید. منظور از ژل ضد آتش در واقع سنتز هایدروژلی است که حجم بالایی از آب را درون خود ذخیره نموده و همانند یک محلول پلیمری ویسکوز (اما با درصد بسیار ناچیزی از پلیمر) سیال و قادر به آغشته ساختن سطوح است. در شکل 1 تصویری از این ژل نشان داده شده است.
شکل1- تصاویری از هایدروژل پتاسیم پلی اکریلات
ویسکوزیته این ژل کاملاً قابل تعیین است به طوری که بتوان هر سطحی را با آن آغشته نمود. هدف از تولید این محصول نیز اطفا حریق و خصوصاً خاموش نمودن فسفر سفید مشتعل است تا بر روی آن ریخته شده و با ایجاد یک پوشش آبدار آن را خفه نموده و خاموش بگرداند. البته همانطور که در تصویر نیز نشان داده شده است می‌توان تمامی سطوح را با این ژل جهت حفاظت از شعله و حرارت به طور مقطعی و برای چندین ساعت پوشاند.
ارزیابی مقاومت حرارتی و خواص محافظتی ژل، غشا و کرم ضد آتش
ایده اصلی به‌کارگیری هایدروژل‌ها برای محافظت در برابر شعله و دماهای فوق بالا در این پروژه برآمده از ظرفیت گرمایی ویژه آب بود. ظرفیت گرمایی یا ظرفیت حرارتی یک سامانه با C نشان داده می‌شود که عبارت از نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما است. ظرفیت گرمایی ویژه نیز مقدار گرمایی است که با واحد جرم کنترلی سیستم مبادله می‌شود تا دمای آن ۱ درجه سانتی‌گراد تغییر یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده مقدار انرژی است که یک گرم از آن ماده دریافت می‌کند تا درجه حرارت آن ماده یک درجه سانتی‌گراد افزایش یابد. از عوامل مؤثر بر ظرفیت گرمایی می‌توان به حالت فیزیکی، جرم مولی، نیروهای بین مولکولی، بلورینگی ساختار و میزان دما اشاره نمود. نکته قابل توجه آن است که در میان مواد مختلف آب دارای بالاترین میزان ظرفیت گرمایی ویژه (jg-1k-1 ۴٫۱۸۱۳) است.
در یک تست جهت اندازه گیری میزان مقاومت حرارتی ژل ضد آتش تولیدی، تکه‌ای کاغذ را به وسیله یک فیلم نازک از ژل پوشش داده و مستقیماً در برابر شعله قرار داده می‌شود. شکل 2 تصویری از این آزمایش را نشان می دهد.
شکل2- تصویری از کاغذ پوشیده با ژل ضدآتش مقابل شعله مستقیم بعد از 1 دقیقه (سمت چپ) و کاغذ بدون پوشش بعد از 2 ثانیه (سمت راست).
همانطور که در تصویر نیز مشخص است کاغذ پس از 1 دقیقه قرار گیری در معرض شعله مستقیم با دمای بیش از 700 درجه سانتی‌گراد دچار هیچ گونه آسیبی نشد. عملکرد ژل با توجه به تصویر کاملاً گویا است. قابل توجه است که در تصویر کناری لبه‌ای از کاغذ تنها برای کمتر از 2 ثانیه در معرض همان شعله قرار گرفت که شروع به سوختن نمود.
برای درک بهتر از عملکرد فوق العاده ژل در آزمونی دیگر، این بار سطح دست را با ژل آغشته کرده و در مقابل شعله مستقیم قرارداده می‌شود. قابل ذکر است که پوست کف دست یکی از حساس‌ترین نقاط بدن به حرارت است که کمترین حرارتی را به سرعت حس می‌نماید. شکل 3 تصویری از این آزمایش را نشان می‌دهد.
شکل3- دست آغشته به ژل ضد آتش در مقابل شعله مستقیم.
همانطور که در تصویر مشخص است شعله آسیبی به پوست دست نمی‌رساند. این تست برای مدت بیش از 30 ثانیه بدون آنکه حرارت شعله موجب وارد آمدن آسیبی شود، انجام گرفت.
علت این مقاومت حرارتی فوق العاده ژل همانطور که پیش‌تر نیز ذکر شد، ناشی از حضور مولکول‌های آب درون ساختار است. ساختار هایدروژل پتاسیم پلی‌اکریلات از زنجیرهای بلند پلیمری شکل گرفته است. این زنجیرهای پلیمر به صورت مارپیچ و تو در تو با یکدیگر گره خورده‌اند و فضای خالی بسیاری درون آنهاست. حال این فضاهای خالی به دلیل فشار اسمزی و نیز گروه‌های آب دوست ساختار به خوبی آب را درون خود جذب می‌نمایند. در این حالت، بسته‌هایی از مولکول‌های آب وجود دارد که در میان زنجیرهای پلیمری و در عمق‌های مختلفی از آن قرار گرفته‌اند. این وضع، چینش مولکول‌های آب را به صورت لایه‌هایی در آورده است که روی یکدیگر قرار گرفته‌اند.
حال، با اعمال حرارت به این ساختار، گرما به اولین لایه مولکول‌های آب وارد می‌شود. در این مرحله است که ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالای آب تأثیر خود را نشان می‌دهد. اعمال حرارت می‌بایست دمای لایه مولکول‌های آب را بالا ببرد اما، ظرفیت گرمایی ویژه بالای آب موجب شده که جهت افزایش دمای هر لایه به اندازه یک درجه، نیاز به بالاترین مقدار گرما در میان مواد باشد. به عبارت دیگر، مدت زمانی که برای بالا بردن دمای هر لایه مورد نیاز است، به نسبت سایر مواد به مراتب بیشتر می‌باشد. در ادامه، اعمال حرارت گرمای داده شده با اولین لایه به ترتیب به لایه‌های بعدی مولکول‌های آب انتقال می‌یابد تا حرارت به عمق ژل و سطح زیرین آن منتقل گردد. به همین علت، لایه نازکی از این ژل بر روی پوست انسان می‌تواند برای مدت زمان زیادی مانع از انتقال حرارت به پوست دست شود. نمودار شکل 4 به خوبی این روند را نشان می‌دهد.
شکل4- روند تغییرات دمای سطح رو و زیر ژل در برابر شعله مستقیم
در نمودار فوق می‌توان اثر اعمال شعله به سطح ژل را مشاهده نمود. همانطور که می‌بینید، ژل کاملا ًحرارت شعله را در مدت 120 ثانیه آزمون نشان می‌دهد و ملاحظه می‌شود با وجود افزایش سریع دمای سطح رو و کاهش دوباره آن، سطح زیرین به آرامی دچار افزایش دما می‌شود که البته به دلیل اندک بودن تغییرات دما و کافی نبودن انرژی اعمال شده به ژل، جهت گرم‌تر شدن دمای آب درون آن، این افزایش دما در سطح زیرین کاملاً کند و به مرور انجام می‌گردد.
لازم به ذکر است که این بازدارندگی تا زمانی که ژل خشک نشده و آب به میزان کافی در ساختار آن حضور داشته باشد، وجود خواهد داشت. نکته دیگر نیز اینکه پس از چند دقیقه اعمال حرارت در دماهای بسیار بالا دمای کل ساختار نیز افزایش خواهد یافت و در این حالت پوست دست انسان ممکن است قادر به تحمل آن نباشد. هرچند سایر مواد نظیر همین کاغذ که ساختاری سلولزی داشته و کاملاً آتش‌گیر است، تا دمای 300 درجه اگر هم به آن حرارت اعمال شود، دچار آسیبی نمی‌شود. به عبارتی، سطوح دیگر که دارای دمای تجزیه‌ای بالای 200 و 300 درجه هستند، با پوشش ژل ضد آتش می‌توانند مدت زمان زیادی حرارت‌های اعمال شده را تحمل نمایند.
