פריצת דרך בתחום הדלק המוצק: תרכובת חדשה וידידותית לסביבה

אתר sciencedirect.com פירסם בעמוד כתב העת FirePhysChem (Open access) מאמר בנושא בחינת ההשפעה של אמוניום חנקתי על היציבות התרמית ועל הקינטיקה של הפירוק של תרכובות חומרים אנרגטיים, המבוססים על ניטרוצלולוזה וניטרועמילן. על המאמר חתומים חוקרים מאלג'יר.

המחקר בחן תרכובת אנרגטית דו-ביופולימרית, המדגישה את ההשפעות הסינרגטיות המושגות על ידי שילוב ביופולימרים של ניטרוצלולוזה וניטרועמילן עם אמוניום חנקתי כמחמצן. חומרים אנרגטיים משמשים במגוון יישומים אזרחיים וצבאיים, כולל תעשייה, תעופה וחלל, כרייה וביטחון, שם הם משמשים בעיקר כהודפים, חומרי נפץ ופירוטכניקה. כדי להבטיח בטיחות בתנאים קיצוניים, חומרים אנרגטיים חייבים לעמוד בדרישות מחמירות בנוגע ליציבות, תגובתיות וביצועים אנרגטיים.

באופן מסורתי, חומרים אלה הסתמכו בעיקר על תרכובות סינתטיות שמקורן בנפט, אשר, למרות יעילותן, מציבות חסרונות משמעותיים הקשורים לרעילות, אי-פירוק ביולוגי והגבלות טיפול וסילוק.

בין החומרים האנרגטיים ה"ירוקים" המבטיחים, פולימרים ממקור ביולוגי זכו לתשומת לב משמעותית, במיוחד קטגוריית הרב-סוכרים, הכוללת שרשראות מורכבות מבוססות גלוקוז כגון תאית ועמילן.

שתי קבוצות אלו נמצאות בשימוש נרחב הן באקדמיה והן בתעשייה בשל השפע שלהן בטבע, קלות המיצוי ורבגוניות בשינויים כימיים ומבניים. למעשה, פני השטח שלהם, העשירים בקבוצות הידרוקסיל פעילות, מאפשרים תגובה עם קבוצות פעילות אחרות, דבר המאפשר לבצע התאמות רבות ליישומים מוגדרים שונים.

החלפת קבוצות (-H) בקבוצות (-NO₂) היא אחד השינויים הכימיים הנפוצים ביותר. הצורות החנקתיות המתקבלות, ניטרוצלולוזה וניטרועמילן, מדגימות רעילות מופחתת ופרופיל ידידותי יותר לסביבה בהשוואה למקבילים סינתטיים, מה שהופך אותן למועמדות מבטיחות לפורמולציות אנרגטיות בנות קיימא.

ההתקדמות האחרונה הדגישה את הפוטנציאל של שילוב ביופולימרים מרובים למטריצה אחת, תוך ניצול התכונות הייחודיות שלהם ליצירת נוסחה הלוכדת את המאפיינים האופטימליים של כל אחד מהם, וכתוצאה מכך יציבות תרמית משופרת, תגובתיות ותאימות סביבתית.

בנוסף, ניתן להתאים את הפורמולציות הרב-ביופולימריות הללו באמצעות שילוב של תוספים שונים, כגון זרזים, מייצבים, מחמצנים או פלסטיסייזרים, מה שמאפשר חומרים אנרגטיים מרוכבים המותאמים לדרישות/לצרכים.

לאחרונה, קבוצת המחקר החתומה על המאמר הציגה את הרעיון של תרכובות אנרגטיות דו-ביופולימריות, במטרה לנצל את האינטראקציות הסינרגטיות בין פולימרים של ניטרוצלולוזה וניטרועמילן ממקור טבעי חנקתי. גישה זו מציעה מסלול מבטיח לפיתוח חומרים אנרגטיים מתקדמים וברי קיימא.

מחקר קודם סיפק חקירה מקיפה של מטריצת ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן בתוספת כמות קטנה של המחמצן אמוניום פרכלורט, כדי לבחון את השפעתה על המאפיינים המבניים והתרמיים של מערכת הביופולימר הכפול.

ממצאים עיקריים הצביעו על השפעה הדדית בין אמוניום פרכלורט לבין אסטרים של תרכובות המכילות נוקסים, כאשר כל רכיב השפיע באופן משמעותי על התנהגות הפירוק של האחר, מה שהוביל להתפרקות בטמפרטורה נמוכה יותר ולאנרגיות הפעלה נמוכות יותר גם כן.

בנוסף, אנרגיית הפירוק שהשתחררה היתה גדולה יותר באופן משמעותי, מה ששיפר את הביצועים התרמיים של התרכובת אמוניום פרכלורט- ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן ושיפר את יציבותה בשימוש בתנאים תפעוליים. לאור ממצאים קודמים אלה, המחקר הנוכחי שאף לחקור את ההשפעות של מחמצן אחר, אמוניום חנקתי, על מטריצת אמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן.

אמוניום חנקתי תופס מקום בולט בין המחמצנים המשמשים ביישומים אנרגטיים, מוערך בשל תכולת החמצן הגבוהה שלו, עלות-תועלת, יציבות משופרת, תאימות למערכות מבוססות ניטרוצלולוזה ויכולתו לשחרר תוצרי פירוק נקיים לסביבה. במחקר הנוכחי בוצעה חקירה משלימה של ההרכב האנרגטי אמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן, שתוכנן באמצעות מודלים תיאורטיים ואופיין בניתוחים ניסיוניים מפורטים.

ההרכב הביופולימר הכפול לא רק מקדם חומרים אנרגטיים ידידותיים לסביבה, אלא גם מדגיש את הסינרגיה בין ניטרוצלולוזה ובין ניטרועמילן במיטוב התכונות האנרגטיות. יתר על כן, שילוב אמוניום חנקתי מבטיח ביצועים מעולים, מה שהופך אותו למתאים למגוון יישומים תוך שמירה על סטנדרטים גבוהים של יעילות ובטיחות.

המחקר בחן לעומק את הפוטנציאל של תרכובות כאלה בהפחתת ההשפעה על הסביבה מבלי להתפשר על הביצועים, וסולל את הדרך להתקדמות בת קיימא בטכנולוגיית חומרים אנרגטיים. כאשר המטרה העיקרית של המחקר היתה לחקור את ההשפעה של אמוניום חנקתי על מאפייני הבעירה של תרכובות ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן דו-ביופולימריות באופן דומה למחקר הקודם, שעסק באמוניום פרכלורט.

לכן, במחקר הנוכחי אומצה גישה אחרת שהובילה לעיצוב אופטימלי של ההרכב של אמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן. המחקר הנוכחי מציג גישה חדשנית לניצול פורמולציות אנרגטיות מבוססות ביופולימר כפול, שמטרתה לחקור את ההשפעות הסינרגטיות של שילוב ביופולימרים חנקתיים עם תוספים ספציפיים.

ניטרוצלולוזה וניטרועמילן נבחרו כמטריצה הביופולימרית העיקרית, עם אמוניום חנקתי כמחמצן, להכנת תרכובת אמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן באמצעות טכניקת אידוי ממס. אפיון מקיף הוכיח שילוב מוצלח של אמוניום חנקתי בתוך מטריצת ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן. תוצאות המחקר הצביעו על תאימות כימית חזקה ומבנים מולקולריים ללא שינוי בנוסחה המשולבת.

ניתוחים תרמיים חשפו תהליך פירוק דו-שלבי, כאשר פירוק של האסטרים של חנקן דו-חמצני קדם לשלב התרמוליזה, בהתאם למנגנון פירוק מונו-מולקולרי. בנוסף, אפקט סינרגטי בין ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן ואמוניום חנקתי הוריד משמעותית את טמפרטורות הפירוק בשני השלבים. חישובים קינטיים סיפקו תובנות נוספות לגבי היציבות התרמית ומסלול הפירוק של התרכובת.

התוצאות הדגישו אפקט קטליטי סינרגטי באמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן, המתבטא באנרגיית שפעול מופחתת בהשוואה לאמוניום חנקתי גולמי ומטריצת ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן. 

לסיכום, ממצאים אלה הדגימו את הפוטנציאל של תרכובת אמוניום חנקתי-ניטרוצלולוזה-ניטרועמילן כמועמדת מבטיחה ליישומי דלק מוצק, הכוללים יציבות תרמית מבוקרת, תגובתיות משופרת וביצועים תרמיים משופרים.

המידע מסתמך על פרסומים שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH, ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.