Negli ultimi anni, la gestione e la risposta alle emergenze hanno ricevuto crescente attenzione a livello globale. Attualmente, la gestione delle emergenze del mio Paese ha formato un modello di sviluppo a circuito chiuso che comprende “tutti i tipi di disastri, l’intera catena e tutti gli aspetti”, rappresentando una trasformazione sistemica dalla risposta decentralizzata al coordinamento globale e dal soccorso passivo in caso di catastrofe alla prevenzione e controllo proattivi. Questo modello copre fondamentalmente la fornitura di materie prime di emergenza a monte, la ricerca e lo sviluppo della tecnologia di base e la produzione di apparecchiature; piattaforme e soluzioni per servizi di emergenza midstream; e a valle diversi scenari e servizi applicativi. Tra questi, l’approvvigionamento di materie prime di emergenza a monte offre ampio spazio per lo sviluppo di materiali di emergenza e risposta ad alte prestazioni. A causa della natura specifica dei suoi scenari applicativi, la gestione e la risposta alle emergenze generalmente richiedono che i materiali di emergenza possiedano caratteristiche quali leggerezza, elevata resistenza, ritardo di fiamma, resistenza all'usura, resistenza al calore, resistenza al freddo, resistenza all'acqua e facilità di piegatura e trasporto.
Tra i vari materiali per interventi di emergenza e smaltimento, i materiali polimerici si distinguono come uno dei membri più importanti della famiglia dei materiali grazie alle loro eccellenti proprietà globali. Il Ministero per la gestione delle emergenze del mio paese ha creato chiare linee guida politiche e richieste di mercato, e le sue iniziative come "aggiornamento delle attrezzature di soccorso specializzate", "costruzione di sistemi di monitoraggio intelligente e di allarme rapido" e "riserve di materiali per la prevenzione e il controllo del rischio completo" hanno fornito ampi scenari di applicazione per materiali polimerici ad alte prestazioni (come materiali resistenti agli agenti chimici, assorbenti olio, protettivi e di rilevamento intelligente). A livello politico, anche meccanismi come il “risarcimento assicurativo per i nuovi materiali del primo lotto” e le “basi dimostrative del settore di emergenza” hanno fornito un forte sostegno all’industrializzazione di materiali polimerici ad alte prestazioni per la risposta e lo smaltimento delle emergenze.
I materiali polimerici ad alte prestazioni possiedono caratteristiche quali leggerezza, elevata resistenza specifica, elevato modulo specifico, resistenza alla corrosione, elevato isolamento, buona biocompatibilità e facilità di modifica, quindi sono stati a lungo ampiamente utilizzati nel campo della gestione e dello smaltimento delle emergenze. Le applicazioni tipiche dei materiali polimerici nel campo dell'emergenza includono:
(1) Materiali strutturali leggeri ad alte prestazioni. Gli esempi includono tappetini per pavimentazione in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMW-PE), tappetini protettivi compositi polimerici e kit medici compositi in fibra di carbonio.
(2) Risposta intelligente e materiali protettivi. Gli esempi includono pelle composita di poliuretano termoplastico (TPU) (indumenti protettivi, airbag, tende, ecc.), idrogel polimerici, rivestimenti in aramide/nanocompositi (tute antincendio, ecc.) e pellicole protettive polimeriche multifunzionali (antivento, antipioggia, bloccanti la luce, isolamento termico, ecc.).
(3) Materiali per il controllo delle perdite e il trattamento dell'inquinamento. Gli esempi includono cotone/feltro assorbente oleoassorbente in polipropilene (PP), materiali per fughe in poliurea (PUA) e sigillanti in gel polimerico.
(4) Altri nuovi materiali di emergenza. Gli esempi includono materiali autoriparanti, materiali per sensori polimerici conduttivi, tute antincendio intelligenti, materiali filtranti in nanofibra, materiali polimerici biodegradabili e materiali medici biocompatibili.
Nonostante le loro eccellenti proprietà e le numerose applicazioni, la maggior parte dei polimeri condivide un innegabile svantaggio: sono altamente infiammabili. Per superare questa carenza, i ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo di polimeri con proprietà ritardanti di fiamma intrinseche. I polimeri sono generalmente classificati in quattro categorie in base alla loro resistenza al calore (temperatura di transizione vetrosa, Tg): polimeri per uso generale (Tg ≤ 100 ℃), polimeri tecnici (100-250 ℃), ecc. Attualmente, i materiali di emergenza polimerici più utilizzati sono principalmente polimeri tecnici e per uso generale. Tuttavia, con la continua evoluzione degli scenari di emergenza, la domanda di materiali di emergenza polimerici specializzati e superingegneristici è in aumento. Per alcuni scenari di emergenza speciali, come ambienti estremi come temperature elevate, freddo estremo e forti radiazioni, i materiali di emergenza polimerici convenzionali non possono più soddisfare i requisiti applicativi; pertanto, è urgentemente necessario lo sviluppo di materiali polimerici specializzati di emergenza. Questi polimeri possiedono temperature operative più elevate e un'eccellente resistenza agli stress ambientali, possono resistere alle alte temperature e rilasciare pochissime sostanze volatili infiammabili. Le eccellenti prestazioni complessive di questi materiali polimerici li rendono comunemente utilizzati in settori che richiedono la gestione di condizioni estreme, come quello aerospaziale e microelettronico, o per realizzare indumenti da lavoro resistenti al fuoco.
La poliimmide (PI) è un tipico materiale polimerico supertecnico, caratterizzato da eccellente resistenza alle alte e basse temperature, resistenza alla corrosione chimica, resistenza alle radiazioni, ritardo di fiamma e soppressione del fumo, facilità di sterilizzazione, bassa biotossicità, buone proprietà meccaniche e dielettriche, diverse forme di applicazione e progettabilità flessibile della struttura molecolare. Queste eccellenti proprietà sono proprio i requisiti prestazionali di base per i materiali nella prevenzione delle catastrofi e nella risposta alle emergenze, rendendo i materiali PI promettenti per l’applicazione nella gestione e risposta alle emergenze.
Sebbene i progressi della ricerca sui materiali PI siano stati ampiamente riportati in letteratura, mancano rapporti sistematici sui progressi della ricerca riguardanti i materiali PI come strumenti di gestione delle emergenze e di risposta. Questo articolo esamina le applicazioni dirette e indirette dei materiali PI nel campo dell'emergenza dal punto di vista della relazione tra struttura e proprietà del PI.
I.Proprietà della poliimmide e suo impatto sulle applicazioni di risposta alle emergenze
Essendo un importante tipo di materiale polimerico organico, il materiale PI è altamente adatto per la risposta alle emergenze grazie alle sue eccellenti proprietà globali, che si riflettono principalmente nei seguenti sei aspetti:
(1) Resistenza alla temperatura e ritardante di fiamma. Il materiale PI ha caratteristiche come resistenza alle alte temperature (temperatura di decomposizione termica ≥500 ℃), resistenza alle basse temperature (fino alla temperatura dell'elio liquido, -269 ℃) e bassa conduttività termica, che lo rendono uno dei materiali polimerici con la migliore resistenza alla temperatura. Inoltre, i materiali PI standard hanno eccellenti proprietà di ritardo di fiamma. Ad esempio, l'indice limite di ossigeno (LOI) della pellicola piromellitica PI di tipo Kapton® prodotta da DuPont è del 37% e il grado di combustione verticale è UL 94 VTM-0; il valore LOI del film bifenilico PI tipo Upilex®-S prodotto da Ube Industries, Ltd. è del 66% e ha anche un grado di ritardo di fiamma VTM-0. L'eccellente resistenza alla temperatura e le proprietà ritardanti di fiamma del PI lo rendono adatto come materia prima per materiali di risposta alle emergenze come tute antincendio, coperte estinguenti, coperte antincendio e indumenti per climi freddi.
(2) Proprietà meccaniche. Forti interazioni intramolecolari e intermolecolari conferiscono ai materiali PI standard eccellenti proprietà meccaniche. Ad esempio, la resistenza alla trazione dei film PI orientati biassialmente prodotti industrialmente è generalmente ≥ 200 MPa, con alcune varietà che raggiungono oltre 400 MPa; allungamento a rottura ≥50%; e modulo di trazione ≥ 3,0 GPa. Allo stesso tempo, le pellicole PI hanno una bassa densità (~1,42 g/cm³), un'eccellente resistenza alla flessione e possono sopportare decine di migliaia di pieghe senza danni. Ciò rende i materiali PI molto comodi da trasportare e offre loro promettenti prospettive di applicazione in campi di emergenza come tende, cinture isolanti e pellicole protettive. Inoltre, i materiali compositi a base di PI possiedono anche un’elevata resistenza specifica e un elevato modulo specifico, mostrando così ampie prospettive di applicazione in componenti come droni per soccorsi in caso di catastrofe, elicotteri, robot e caschi antiproiettile.
(3) Stabilità ambientale. I materiali PI standard sono generalmente insolubili e infusibili e mostrano un'eccellente resistenza ai comuni solventi organici, oli minerali e cherosene per aviazione. Tuttavia, i materiali PI hanno un'igroscopicità leggermente elevata e una scarsa resistenza alle soluzioni alcaline ad alta temperatura. I film PI dimostrano una buona resistenza alle radiazioni dei raggi X, dei neutroni, delle particelle cariche e della luce ultravioletta del vuoto, ma sono suscettibili alla corrosione dell'ossigeno atomico nell'orbita terrestre bassa. Queste caratteristiche rendono i materiali PI promettenti per applicazioni in emergenze chimiche pericolose e nella risposta alle emergenze in caso di contaminazione nucleare.
(4) Isolamento e proprietà dielettriche. I materiali PI standard possiedono un'eccellente resistenza di isolamento (≥300 V/μm), elevata resistività di volume (≥10¹⁷ Ω・cm), costante dielettrica relativamente bassa (3,4~3,5 @1kHz) e perdita dielettrica (≤0,002 @1kHz). Ciò rende i materiali PI adatti all'uso come materiali isolanti ad alte prestazioni in applicazioni di emergenza come la gestione della corrente di dispersione e la protezione dell'isolamento.
(5) Proprietà ottiche. Le catene molecolari del film PI standard mostrano una forte coniugazione, facilitando il trasferimento di carica all'interno e tra le catene molecolari, con conseguente assorbimento significativo della luce visibile. Ciò conferisce alle pellicole PI standard un aspetto tipicamente da giallo dorato a marrone scuro. Ciò li rende adatti all'uso come materiali di protezione UV e schermatura della luce in alcune applicazioni di emergenza.
(6) Proprietà biologiche. I materiali PI convenzionali generalmente mostrano una bassa tossicità e una buona biocompatibilità, rendendoli adatti all'uso come materiali medici in situazioni di emergenza. Inoltre, la struttura dei materiali PI è altamente modificabile, consentendo una progettazione flessibile per soddisfare diversi requisiti applicativi e ampliandone così l'ambito applicativo. I materiali PI possono essere utilizzati come pellicole, rivestimenti, vernici, adesivi, nastri, fibre, compositi e schiume. Infine, i materiali PI possono essere facilmente combinati con vari riempitivi inorganici per creare un'ampia gamma di materiali compositi, in grado di soddisfare le esigenze applicative di diversi campi di risposta alle emergenze.
II. Progressi nell'applicazione dei materiali in poliimmide nella gestione e risposta alle emergenze
2.1 Materiali di emergenza diretta
Le principali applicazioni della poliimmide (PI) nei materiali di emergenza diretta includono dispositivi di protezione individuale (DPI) e materiali resistenti al fuoco e refrattari, materiali resistenti al calore e al freddo, materiali resistenti al taglio, materiali resistenti alle radiazioni e materiali di filtrazione dell'aria per l'ingegneria di emergenza.
2.2 Materiali di emergenza indiretti
Le principali applicazioni della poliimmide (PI) nei materiali di emergenza indiretta includono materiali compositi per attrezzature e strumenti di soccorso, supporto vitale e forniture di emergenza, materiali di isolamento e riempimento termico, materiali per batterie, materiali per sensori e materiali per cure mediche.
2.2.1 Materiali compositi leggeri
2.2.2 Materiali della batteria
2.2.3 Isolamento termico leggero e materiali di riempimento
2.2.4 Tessuti speciali
Oltre alle tipiche applicazioni sopra menzionate, i materiali PI hanno guadagnato attenzione e applicazione anche in campi quali l'isolamento di motori antideflagranti, materiali di emergenza medica, soccorso aereo, risposta alle emergenze ad alta latitudine e salvataggio subacqueo.
"Per fare un buon lavoro bisogna prima avere gli strumenti giusti." La gestione delle emergenze, in quanto disciplina indipendente, non può funzionare senza il supporto di materiali avanzati. Soprattutto data la matrice applicativa "protezione-monitoraggio-energia-medicina-infrastruttura-intelligence" nella moderna gestione delle emergenze, i materiali di emergenza avanzati sono diventati supporto e garanzia cruciali per la risposta all'emergenza "tutti i rischi, a catena intera". Essendo una classe di materiali polimerici avanzati con eccellenti prestazioni globali, il futuro sviluppo di PI nel campo delle emergenze mostra tendenze come il miglioramento continuo delle prestazioni, l'integrazione intelligente multifunzionale, lo sviluppo verde e sostenibile, l'innovazione dei processi di produzione, l'espansione completa degli scenari applicativi e la formazione graduale di un ecosistema industriale. In breve, i materiali di emergenza PI si stanno evolvendo da singoli materiali ad alte prestazioni a "sistemi di materiali intelligenti" e cambieranno radicalmente i concetti di progettazione e i modelli di applicazione delle attrezzature di soccorso di emergenza in futuro. Il suo sviluppo seguirà il percorso di "prestazioni elevate → multifunzionalità → intelligenza → ecologici → basso costo e larga scala", raggiungendo infine l'obiettivo finale di "un unico pezzo di attrezzatura per affrontare molteplici scenari disastri" e fornendo supporto tecnico per il salvataggio di emergenza.
