Unter den verschiedenen Notfall- und Entsorgungsmaterialien sind Polymermaterialien aufgrund ihrer hervorragenden umfassenden Eigenschaften eines der wichtigsten Mitglieder der Materialfamilie. Das Ministerium für Notfallmanagement meines Landes hat klare politische Leitlinien und eine klare Marktnachfrage geschaffen, und seine Initiativen wie „Modernisierung spezialisierter Rettungsausrüstung“, „Aufbau intelligenter Überwachungs- und Frühwarnsysteme“ und „Materialreserven zur vollständigen Risikoprävention und -kontrolle“ haben breite Anwendungsszenarien für Hochleistungspolymermaterialien (z. B. chemikalienbeständige, ölabsorbierende, schützende und intelligente Sensormaterialien) geschaffen. Auf politischer Ebene haben Mechanismen wie „Versicherungsentschädigung für neue Materialien für die erste Charge“ und „Demonstrationsstützpunkte für die Notfallindustrie“ ebenfalls starke Unterstützung für die Industrialisierung von Hochleistungspolymermaterialien für Notfallmaßnahmen und -entsorgung geleistet.
Hochleistungspolymermaterialien zeichnen sich durch Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe spezifische Festigkeit, hohen spezifischen Modul, Korrosionsbeständigkeit, hohe Isolierung, gute Biokompatibilität und einfache Modifizierung aus und werden daher seit langem häufig im Bereich des Notfallmanagements und der Entsorgung eingesetzt. Zu den typischen Anwendungen von Polymermaterialien im Notfallbereich gehören:
(1) Hochleistungsleichtbaustoffe. Beispiele hierfür sind Gehwegmatten aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW-PE), Schutzmatten aus Polymerverbundwerkstoffen und medizinische Kits aus Kohlefaserverbundwerkstoff.
(2) Intelligente Reaktions- und Schutzmaterialien. Beispiele hierfür sind Verbundleder aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) (Schutzkleidung, Airbags, Zelte usw.), Polymerhydrogele, Aramid-/Nanokompositbeschichtungen (Feuerwehranzüge usw.) und multifunktionale Polymerschutzfolien (winddicht, regendicht, lichtblockierend, wärmeisolierend usw.).
(3) Materialien zur Leckkontrolle und Verschmutzungsbehandlung. Beispiele hierfür sind ölabsorbierende Baumwolle/saugfähiger Filz aus Polypropylen (PP), Fugenmaterialien aus Polyharnstoff (PUA) und Polymer-Gel-Dichtstoffe.
(4) Weitere neue Notfallmaterialien. Beispiele hierfür sind selbstheilende Materialien, leitfähige Polymersensormaterialien, intelligente Feuerwehranzüge, Nanofaser-Filtermaterialien, biologisch abbaubare Polymermaterialien und biokompatible medizinische Materialien.
Trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften und zahlreichen Einsatzmöglichkeiten haben die meisten Polymere einen unbestreitbaren Nachteil: Sie sind leicht entflammbar. Um diesen Mangel zu beheben, haben sich Forscher auf die Entwicklung von Polymeren mit inhärenten flammhemmenden Eigenschaften konzentriert. Polymere werden im Allgemeinen auf der Grundlage ihrer Wärmebeständigkeit (Glasübergangstemperatur, Tg) in vier Kategorien eingeteilt: Allzweckpolymere (Tg ≤ 100 °C), technische Polymere (100–250 °C) usw. Derzeit sind die am häufigsten verwendeten Polymer-Notfallmaterialien hauptsächlich Allzweck- und technische Polymere. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Notfallszenarien steigt jedoch die Nachfrage nach speziellen und hochtechnischen Polymer-Notfallmaterialien. Für bestimmte spezielle Notfallszenarien, wie zum Beispiel extreme Umgebungen wie hohe Temperaturen, extreme Kälte und starke Strahlung, können herkömmliche Polymer-Notfallmaterialien die Anwendungsanforderungen nicht mehr erfüllen; Daher ist die Entwicklung spezieller Polymer-Notfallmaterialien dringend erforderlich. Diese Polymere verfügen über höhere Betriebstemperaturen und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, können hohen Temperaturen standhalten und geben nur sehr wenige brennbare flüchtige Stoffe ab. Aufgrund der hervorragenden Gesamtleistung dieser Polymermaterialien werden sie häufig in Branchen eingesetzt, die extreme Bedingungen bewältigen müssen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt und Mikroelektronik, oder zur Herstellung feuerfester Arbeitskleidung.
Polyimid (PI) ist ein typisches Super-Engineering-Polymermaterial, das sich durch hervorragende Hoch- und Tieftemperaturbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit, Flammhemmung und Rauchunterdrückung, einfache Sterilisation, geringe Biotoxizität, gute mechanische und dielektrische Eigenschaften, vielfältige Anwendungsformen und flexible Gestaltungsmöglichkeiten der Molekülstruktur auszeichnet. Diese hervorragenden Eigenschaften sind genau die grundlegenden Leistungsanforderungen für Materialien in der Katastrophenvorsorge und Notfallhilfe und machen PI-Materialien vielversprechend für den Einsatz im Notfallmanagement und in der Notfallhilfe.
Obwohl in der Literatur ausführlich über Forschungsfortschritte zu PI-Materialien berichtet wird, fehlen systematische Berichte über Forschungsfortschritte in Bezug auf PI-Materialien als Notfallmanagement- und Hilfsgüter. In diesem Artikel werden die direkten und indirekten Anwendungen von PI-Materialien im Notfallbereich aus der Perspektive der Beziehung zwischen der Struktur und den Eigenschaften von PI untersucht.
I. Eigenschaften von Polyimid und seine Auswirkungen auf Notfallanwendungen
Als wichtiger Typ organischer Polymermaterialien eignet sich PI-Material aufgrund seiner hervorragenden Gesamteigenschaften, die sich hauptsächlich in den folgenden sechs Aspekten widerspiegeln, hervorragend für den Notfalleinsatz:
(1) Temperaturbeständigkeit und Flammhemmung. PI-Material verfügt über Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit (thermische Zersetzungstemperatur ≥500 °C), niedrige Temperaturbeständigkeit (bis zur Temperatur von flüssigem Helium, -269 °C) und niedrige Wärmeleitfähigkeit, was es zu einem der Polymermaterialien mit der besten Temperaturbeständigkeit macht. Darüber hinaus verfügen Standard-PI-Materialien über hervorragende Flammschutzeigenschaften. Beispielsweise beträgt der Grenzsauerstoffindex (LOI) der von DuPont hergestellten pyromellitischen PI-Folie vom Typ Kapton® 37 %, und die vertikale Brennbewertung beträgt UL 94 VTM-0; Der LOI-Wert der von Ube Industries, Ltd. hergestellten Biphenyl-PI-Folie vom Typ Upilex®-S beträgt 66 % und sie verfügt außerdem über die Flammschutzklasse VTM-0. Die hervorragende Temperaturbeständigkeit und die flammhemmenden Eigenschaften von PI machen es zu einem geeigneten Rohstoff für Notfallmaterialien wie Feuerwehranzüge, Feuerlöschdecken, Feuerlöschdecken und Kaltwetterkleidung.
(2) Mechanische Eigenschaften. Starke intramolekulare und intermolekulare Wechselwirkungen verleihen Standard-PI-Materialien hervorragende mechanische Eigenschaften. Beispielsweise liegt die Zugfestigkeit industriell hergestellter biaxial orientierter PI-Folien im Allgemeinen bei ≥200 MPa, wobei einige Varianten sogar über 400 MPa erreichen; Bruchdehnung ≥50 %; und Zugmodul ≥3,0 GPa. Gleichzeitig haben PI-Folien eine geringe Dichte (~1,42 g/cm³), eine ausgezeichnete Biegefestigkeit und können Zehntausende Falten unbeschadet überstehen. Dies macht PI-Materialien sehr einfach zu transportieren und bietet vielversprechende Einsatzmöglichkeiten in Notfallbereichen wie Zelten, Isolationsgürteln und Schutzfolien. Darüber hinaus verfügen PI-basierte Verbundwerkstoffe auch über eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul und bieten daher breite Anwendungsaussichten in Komponenten wie Katastrophenhilfedrohnen, Hubschraubern, Robotern und kugelsicheren Helmen.
(3) Umweltstabilität. Standard-PI-Materialien sind in der Regel unlöslich und unschmelzbar und weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber üblichen organischen Lösungsmitteln, Mineralölen und Flugkerosin auf. Allerdings weisen PI-Materialien eine leicht erhöhte Hygroskopizität und eine geringe Beständigkeit gegenüber alkalischen Lösungen bei hohen Temperaturen auf. PI-Filme weisen eine gute Beständigkeit gegen Strahlung von Röntgenstrahlen, Neutronen, geladenen Teilchen und Vakuum-Ultraviolettlicht auf, sind jedoch anfällig für Korrosion durch atomaren Sauerstoff in niedriger Erdumlaufbahn. Diese Eigenschaften machen PI-Materialien vielversprechend für Anwendungen bei gefährlichen chemischen Notfällen und bei der Reaktion auf nukleare Kontamination.
(4) Isolierung und dielektrische Eigenschaften. Standard-PI-Materialien verfügen über eine ausgezeichnete Isolationsfestigkeit (≥300 V/μm), einen hohen Volumenwiderstand (≥10¹⁷ Ω・cm), eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (3,4–3,5 bei 1 kHz) und einen dielektrischen Verlust (≤0,002 bei 1 kHz). Dadurch eignen sich PI-Materialien für den Einsatz als Hochleistungsisoliermaterialien in Notfallanwendungen wie der Leckstrombehandlung und dem Isolationsschutz.
(5) Optische Eigenschaften. Standard-Molekülketten von PI-Filmen weisen eine starke Konjugation auf, was den Ladungstransfer innerhalb und zwischen Molekülketten erleichtert, was zu einer erheblichen Absorption von sichtbarem Licht führt. Dies verleiht Standard-PI-Folien ein typisch goldgelbes bis dunkelbraunes Aussehen. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz als UV-Schutz- und Lichtabschirmmaterialien in bestimmten Notfallanwendungen.
(6) Biologische Eigenschaften. Herkömmliche PI-Materialien weisen im Allgemeinen eine geringe Toxizität und eine gute Biokompatibilität auf und eignen sich daher für den Einsatz als medizinische Materialien in Notfallsituationen. Darüber hinaus ist die Struktur von PI-Materialien in hohem Maße modifizierbar, was ein flexibles Design ermöglicht, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden und so den Anwendungsbereich zu erweitern. PI-Materialien können als Filme, Beschichtungen, Lacke, Klebstoffe, Bänder, Fasern, Verbundstoffe und Schäume verwendet werden. Schließlich lassen sich PI-Materialien problemlos mit verschiedenen anorganischen Füllstoffen kombinieren, um eine breite Palette von Verbundmaterialien zu schaffen, die den Anwendungsanforderungen verschiedener Notfallbereiche gerecht werden.
II. Fortschritte bei der Anwendung von Polyimidmaterialien im Notfallmanagement und bei der Reaktion
2.1 Direkte Notfallmaterialien
Zu den Hauptanwendungen von Polyimid (PI) in direkten Notfallmaterialien gehören persönliche Schutzausrüstung (PSA) sowie feuerbeständige und feuerfeste Materialien, hitzebeständige und kältebeständige Materialien, schnittfeste Materialien, strahlungsbeständige Materialien und Luftfiltermaterialien für die Notfalltechnik.
2.2 Indirekte Notfallmaterialien
Zu den Hauptanwendungen von Polyimid (PI) in indirekten Notfallmaterialien gehören Verbundmaterialien für Rettungsausrüstung und -werkzeuge, Lebenserhaltungs- und Notfallversorgungsmaterialien, Wärmedämm- und Füllmaterialien, Batteriematerialien, Sensormaterialien und medizinische Behandlungsmaterialien.
2.2.1 Leichte Verbundwerkstoffe
2.2.2 Batteriematerialien
2.2.3 Leichte Wärmedämm- und Füllmaterialien
2.2.4 Spezialstoffe
Neben den oben genannten typischen Anwendungen haben PI-Materialien auch in Bereichen wie explosionssicherer Motorisolierung, medizinischem Notfallmaterial, Luftrettung, Notfallmaßnahmen in großen Breitengraden und Unterwasserrettung an Aufmerksamkeit und Anwendung gewonnen.
„Um gute Arbeit zu leisten, muss man zunächst über die richtigen Werkzeuge verfügen.“ Notfallmanagement als eigenständige Disziplin kann ohne die Unterstützung fortschrittlicher Materialien nicht funktionieren. Insbesondere angesichts der Anwendungsmatrix „Schutz-Überwachung-Energie-medizinische-Infrastruktur-Intelligenz“ im modernen Notfallmanagement sind fortschrittliche Notfallmaterialien zu entscheidender Unterstützung und Garantie für die Notfallreaktion „alle Gefahren und die gesamte Kette“ geworden. Als eine Klasse fortschrittlicher Polymermaterialien mit hervorragender Gesamtleistung zeigt die zukünftige Entwicklung von PI im Notfallbereich Trends wie kontinuierliche Leistungsverbesserung, multifunktionale intelligente Integration, grüne und nachhaltige Entwicklung, Innovation bei Herstellungsprozessen, umfassende Erweiterung von Anwendungsszenarien und die schrittweise Bildung eines industriellen Ökosystems. Kurz gesagt, PI-Notfallmaterialien entwickeln sich von einzelnen Hochleistungsmaterialien zu „intelligenten Materialsystemen“ und werden die Designkonzepte und Anwendungsmodelle von Notfallrettungsgeräten in Zukunft grundlegend verändern. Seine Entwicklung wird dem Weg „hohe Leistung → Multifunktionalität → Intelligenz → Ökologisierung → niedrige Kosten und großer Maßstab“ folgen und letztendlich das Endziel „ein einziges Gerät zur Bewältigung mehrerer Katastrophenszenarien“ erreichen und technische Unterstützung für die Notfallrettung bieten.
