كيف يمكن تحقيق أقصى أداء ممكن لمادة البوليميثيل السيلوكسان (PDMS) في قطاعي النسيج والبناء؟

إن تسلسل تركيب البولي دايميثيل سيلوكسان (PDMS) يمنح المادة خصائص استثنائية، مما يسمح لها بمقاومة الماء والزيوت إلى درجة غير عادية. وعند دمج بوليمرات مختلطة من السيلوكسان وPDMS في التركيب، فإن ذلك يؤدي إلى اندماجٍ سلسٍ عبر النسيج، حيث يعمل مكوّن السيلوكسان على الالتصاق بألياف النسيج، بينما يساهم مكوّن PDMS في تشكيل سطح النسيج. وتُنشئ مكونات PDMS المتبلمرة سطحًا كارهًا للماء بشكلٍ غير مسبوقٍ من خلال التعبير الجزيئي، كما تطرد الزيوت الشائعة، ما يمنح السطح خصائص كارهة للماء وكارهة للزيوت معًا، وتستمر هذه الخصائص طوال عمر النسيج. ونتيجةً لهذه العملية، تصل زوايا تماس السطح مع الماء إلى أكثر من ١٥٠°، ومع الزيوت إلى نحو ١٣٠°. وأكثر ما يميّز PDMS هو أنه، على عكس الطلاءات المقاومة للاحتكاك والمحتوية على الفلور، والتي تتشقق عند الانثناء أو الثني، فإن طلاء PDMS يحافظ على خصائصه الكارهة للزيوت والكارهة للماء طوال فترة طويلة من مقاومته للاحتكاك.

مقارنة الأداء: أنظمة البوليميرات السيليكونية المُعطِّرة (PDMS) مقابل الطلاءات الفلورينية وفقًا لاختباري AATCC 118 وISO 14419

وبينما توفر الأنظمة الفلورينية مقاومةً للزيوت تفوق قليلًا، فإن أنظمة البوليميرات السيليكونية المُعطِّرة (PDMS) تفي بالمعايير الوظيفية المطلوبة لمعظم الملابس والملابس الواقية والمنسوجات التقنية، حتى تلك التي تحمل شهادات معيار OEKO-TEX® 100 ومعيار bluesign®. وبغياب الروابط الكربونية-الفلورية، تجنب أنظمة PDMS خطر التراكم الحيوي، فضلاً عن الضرر البيئي المستمر والمخاطر التنظيمية المرتبطة بمجموعة مركبات الفلوروكربونات الدائمة (PFAS).

ويرجع اعتماد أنظمة البوليميرات السيليكونية المُعطِّرة (PDMS) والفرص التسويقية الناشئة المحتملة إلى القيود الجديدة التي فرضتها الاتحاد الأوروبي على مركبات الفلوروكربونات الدائمة (PFAS)، وكذلك إلى لوائح جديدة صادرة عن وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA).

تشهد التشريعات التي تطلب البحث عن بدائل لمادة الـ PFAS تطورًا سريعًا. ومن الأمثلة على ذلك الإضافات الأخيرة التي أدخلتها المفوضية الأوروبية على لائحة REACH لعام ٢٠٢٣، والخطة الاستراتيجية التي وضعتها وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) للفترة من ٢٠٢١ إلى ٢٠٢٤. وقد لاحظ مصنّعو النسيج هذه التطورات، وبات العديد منهم يحوّلون استخدامهم إلى مواد كارهة للماء والزيت مبنية على السيليكون. ووفقًا للتقارير الصادرة داخل القطاع، ازداد اعتماد هذه المواد بنسبة تقارب ٦٠٪ منذ عام ٢٠٢٢. ويستند المصنّعون في حجّتهم إلى حالة «السلامة العامة المُقرّة» (GRAS) الخاصة بمادة البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS)، وإلى سهولة دمجها في عمليات الإنتاج الحالية. وبينما لا تزال خيارات أخرى محتملة — مثل الحلول المستندة إلى مصادر بيولوجية والكيمياء الهجينة — قيد التقييم، فإن مادة PDMS تُعتبر الخيار المفضّل نظرًا لأنها حلٌّ مُجرَّب ومُختبر جيدًا، ومتوافقٌ تمامًا مع المتطلبات التنظيمية، وسهل الدمج في عمليات الإنتاج القائمة. وهذا ما يجعلها المرشح الأول لتلبية الحاجة إلى مواد نسيجية خالية من مركبات الـ PFAS، مع توفير مقاومة فعّالة للماء والزيت.

يمكن التحكم في وظائف مادة البولي دايميثيل سيلوكسان (PDMS) عن طريق تغيير وزنها الجزيئي ودرجة ارتباطها الشبكي. فعلى سبيل المثال، يشكّل البولي دايميثيل سيلوكسان ذي السلسلة القصيرة مثل F-3600 طبقة سطحية أكثر كثافة، مما يؤدي إلى زوايا تماس مائية تفوق ١٤٠°، مع تحقيق مستوى منخفض جدًّا (وغير مرغوب فيه) من النتح (< ١٥ غ/م²/٢٤ ساعة). ويمكن استخدام هذه الأنواع من البولي دايميثيل سيلوكسان في الملابس الطبية والرياضية، التي يُعد الراحة فيها عاملًا حاسمًا. أما البولي دايميثيل سيلوكسان ذي السلسلة الأطول مثل F-12000 فيشكّل تشابكات جزيئية أوسع نطاقًا، ما يؤدي إلى روابط أقوى بين الطبقات ومتانة أفضل أمام الغسيل لأكثر من ٢٠ دورة وفقًا للمعيار الدولي ISO 6330 (مع انخفاض نفاذية الهواء نتيجة تقليل الارتباط الشبكي). وتُحدِّد درجة الارتباط الشبكي جزءًا كبيرًا من التوازن الموصوف بين خصائص الأداء المختلفة.

بالنسبة للملابس الواقية العاملة في البيئات الصناعية، حيث تُعد مقاومة التآكل ذات أهمية قصوى، فإن الاستخدام المتوازن لمادة من النوع F-12000 يوفّر أفضل توليفة شاملة من المتانة ومقاومة التآكل وفق معايير ISO 12947-2. وفي المقابل، تميل المنتجات المستندة إلى F-3600 إلى التركيز على حالات الاستخدام التي تتطلب مستويات أعلى من الراحة. أما ما يثير الإعجاب حقًّا في الاختبارات الصناعية فهو قدرة بعض سلاسل الوحدات المتوسطة الطول (مع درجة مناسبة من الارتباط العرضي) على الحفاظ على زوايا التلامس فوق ١٣٠ درجة بعد إخضاع العينة لـ٥٠ دورة من اختبار التآكل باستخدام جهاز مارتنديل. وهذه النتيجة تفوق ما تحققه الصيغ التقليدية القائمة على السيلوكسان بنسبة تصل إلى ٣٥٪ من حيث التوازن بين المتانة والراحة. وقد نُشِرت هذه النتائج في عام ٢٠٢٣ في مجلة «كيمياء النسيج»، وهي مجلة دولية خاضعة لمراجعة الأقران.

تقييم المتانة طويلة الأمد لطلاء البوليديميثيل السيلوكسان (PDMS) على الأقمشة في ظروف الاستخدام الفعلي

عندما يتعلق الأمر بدقة طلاءات البوليمير السيليكوني المُشبع بالدم (PDMS)، فإنها تقدم مقاومة ممتازة للغسيل والاحتفاظ بخصائص طرد الماء حتى بعد أكثر من ٢٠ دورة غسيل صناعي.
(بيانات المعيار الدولي ISO 6330/12945-2). وتفقد طلاءات PDMS فقط ١٥٪ من قدرتها على طرد الماء، في حين تفقد البدائل الشمعية والأكريليكية أكثر من ٥٠٪ من قدرتها على عزل الماء بعد ١٠ دورات غسيل فقط. ولماذا تتفوق طلاءات PDMS أداءً؟ فخلال مرحلة التصلب (التقسية) لطلاءات PDMS، تتكون روابط كيميائية قوية مع ألياف النسيج، ما يُمكّنها من مقاومة أشد المنظفات والمواد الكيميائية التنظيفية عدوانيةً، كما أنها تتحمل الاحتكاك الميكانيكي الذي يتعرض له النسيج أثناء الغسل المتكرر. وبعض هذه التركيبات الخاصة الحصرية لا تزال تحتفظ بزاوية تماس جامدة تزيد عن ١٤٠ درجة بعد ٥٠ دورة غسيل. وهذا يعني أنها مثالية للاستخدام في التطبيقات الفنية الحرجة ذات الأهمية الأمنية، مثل الزي الرسمي لمكافحة الحرائق والملابس الخارجية التي تتطلب طلاءات طاردة للماء قادرة على تحمل دورات الغسيل الصناعي.

التطبيقات ذات الاحتكاك العالي: مقاومة التآكل وأداء التآكل الميكانيكي

وربما تكون إحدى أكثر تطبيقات مادة البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) إثارةً للدهشة وتميُّزًا هي مقاومتها الفائقة للتآكل في البيئات القاسية، مثل تنجيد السيارات الداخلية، والأقمشة ذات المواصفات العسكرية، وملابس العمل الصناعية. وقد خضعت الأقمشة المغلفة بمادة PDMS لاختبارات وفق المعيار الدولي ISO 12947-2، وأظهرت نتائجها فقدان وزن أقل من ٥٪، مع عدم حدوث أي تلف في سلامة الغلاف بعد ٥٠٬٠٠٠ (خمسين ألف) دورة. وبالمقارنة، فإن الأقمشة غير المغلفة والتي لا تحتوي على روابط تشعبية تُظهر فقدان وزن بنسبة ٢٠٪، وفشلًا شديدًا في الغلاف عند نفس العدد من الدورات المكافئة. وتُعد عملية التشعب (التقاطع) لمادة PDMS مفيدة جدًّا، إذ إن طبيعتها المطاطية توزِّع الإجهاد بشكل متساوٍ عبر سطح الغلاف. وهذه الخاصية مثالية لضمان عدم تكوُّن الشقوق المجهرية أو انتشارها أثناء ثني الغلاف أو ضغطه مرارًا وتكرارًا. ومع ذلك، فإن أهم ما يميز هذه التقنية هو أن كل هذه الحماية تُقدَّم دون التأثير سلبًا على التهوية. فالأقمشة الواقية المغلفة بمادة PDMS تضمن حماية الشخص الذي يرتديها من جميع المخاطر دون المساس براحته. وهذه ميزة جوهرية خاصةً في المناوبات الطويلة الأمد.

تحسين الوظيفة الهيكلية لبولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) داخل مواد البناء

تقنيات التدعيم: السيليكا، وبلورات النانو السليلوزية، ومحشيات الـ POSS لزيادة مقاومة الشد والمرونة (معيار ASTM D412)

إن مادة الـ PDMS الأساسية ناعمة جدًّا لتطبيقات البناء، ولذلك نحتاج إلى التعديلات الأكثر متانةً. وتُشكِّل جسيمات السيليكا النانوية شبكات ربطٍ مشبَّكةٍ كثيفةً في مادة الـ PDMS، ما يوفِّر توزيعًا أفضل للأحمال. ويظهر ذلك من خلال اختبار مقاومة الشد لمزيج الـ PDMS/السيليكا، والذي يمكن أن يحقِّق قوة شدٍّ تصل إلى ثلاثة أضعاف قوة الـ PDMS غير الممتلئ وفق معايير ASTM D412 (3). ومكوِّنٌ آخر هو بلورات السيلولوز النانوية (CNC)، التي يمكن أن تعزِّز وظائف جسيمات السيليكا النانوية. ويعود ذلك إلى أن بلورات السيلولوز النانوية طويلةٌ وتتمتَّع بعددٍ كبيرٍ من مجموعات الهيدروكسيل، ما يمنحها التصاقًا قويًّا بقاعدة الـ PDMS. وهذا الالتصاق يساعد على الحفاظ على مرونة الـ PDMS مع جعله مقاومًا للماء في الوقت نفسه. وتشكِّل حشوات البوليهدرا الأوليغومريك السيلسيكوين (POSS) خيارًا آخر. فهياكل القفص الخاصة بهذه الحشوات تتداخل بسلاسة مع شبكة السيلوكسان على المستوى النانوي. وعند إضافتها بنسبة تتراوح بين ١٠٪ و١٥٪، يمكن لحشوات الـ POSS أن ترفع مقاومة التمزُّق بنسبة تقارب ٤٠٪، مع الحفاظ في الوقت نفسه على مرونة المادة بعد عدة دورات من الاستطالة. وعند استخدام هذه المكونات الثلاثة معًا، نحقق أقصى مقاومة شدٍّ ممكنة، والتي تكون عادةً أكبر من ٥ ميجا باسكال، ومقدار استطالة دائم أقل من ١٥٪ بعد عددٍ كبيرٍ من دورات الاستطالة والاسترجاع.

وهذا يجعل المركب مثاليًا لختم المفاصل في الخرسانة، والطلاءات المقاومة للماء، وكذلك أجهزة امتصاص الزلازل التي يجب أن تتحمل عوامل التعرية والتغيرات الفيزيائية، بما في ذلك التغيرات في درجة الحرارة والإشعاع فوق البنفسجي والانثناء.

الأسئلة الشائعة

ما هو PDMS ولماذا يُستخدم في المنسوجات؟

PDMS، أو بولي دايميثيل سيلوكسان، هو مادة سيليكونية تَصدّ الماء والزيوت. وبما أن PDMS يلتصق بفعالية بألياف النسيج، فإنه يكوّن طبقة واقية دائمة لا تعتمد على أي معالجات كيميائية.

كيف يقارن PDMS بالطلاءات الفلورينية؟

يوفر PDMS نفس مستوى مقاومة الطرد مثل الطلاءات الفلورينية، لكنه خالٍ من المخاطر الصحية والبيئية المرتبطة بمجموعة مركبات PFAS. وتظل طلاءات PDMS مقاومةً للطرد ومرونةً، بينما تفقد الطلاءات الفلورينية خصائص مقاومتها للطرد وتصبح هشّة.

هل PDMS آمن وصديق للبيئة؟

مادة PDMS آمنة بيئيًّا وصديقة للبيئة. وقد حصلت مادة PDMS على شهادة معيار OEKO-TEX® 100 وشهادة bluesign®. وبما أن مادة PDMS لا تُصنَّع باستخدام روابط كربون-فلورين الضارة، فإن المخاطر الصحية والبيئية الناتجة عنها أقلُّ بشكلٍ ملحوظ.

هل يمكن لطلاءات PDMS أن تتحمّل الغسيل الصناعي؟

تتفوَّق طلاءات PDMS في فعاليتها على الطلاءات الشمعية والأكريليكية، وقد أظهرت الدراسات أنها تحتفظ بنسبة 85% من مقاومتها لاختراق الماء بعد خضوعها لـ20 دورة غسيل صناعي.