هدایت حرارتی در فوم های سخت یورتانی

هدایت حرارتی در فوم های سخت یورتانی

یک خاصیت مهم از یک ماده عایق، عملکرد عایق فوم است. مقیاس عملکرد عایق، هدایت حرارتی پایین و یا مقاومت حرارتی بالا می باشد.
هدایت حرارتی (λیک خاصیت ویژه از یک ماده است. که جریان گرما را بر حسب وات در ۱ m2 و ضخامت ۱ میلی متر از یک سطح صاف، زمانی که اختلاف دمایی بین دو سطح هم جهت با جریان گرما تقریباً ۱ کلوین باشد، نشان می دهد.
مقاومت حرارتی (R) تأثیر عایق حرارتی یک لایه ساخته شده را نشان می دهد. مقاومت حرارتی از تقسیم ضخامت بر مقدار هدایت حرارتی یک ترکیب ساخته شده به دست می آید. R= d/λ 
واحد مقاومت حرارتی  (W/(m2.k می باشد. در ترکیبات ساختمان که چندین لایه دارند، مقاومت حرارتی لایه ها با هم جمع می شود.
انتقال گرما (U)، عبور جریان گرما از میان ۱ مترمربع از ترکیبات ساختمانی زمانی که اختلاف دمای بین سطوحی که در جهت جریان گرما قرار دارند از یک کلوین بیشتر شود، اتفاق می اٌفتد. مقدار U را می توان از فرمول زیر محاسبه کرد: U=1/R . 
یک فوم پلی یورتان سخت معمولی، با دانسیته در حدود ۳۲ kg/m3  شامل ۳% پلیمر و ۹۷% گاز محبوس در سلول بندی فوم در مقیاس حجمی است. بنابراین واضح است که هدایت حرارتی وابستگی زیادی به هدایت گاز در درون سلول دارد. کمترین مقدار هدایت حرارتی از گاز فریون به دست می آید.
انتقال گرما از میان فوم از مجموع عوامل زیر به دست می آید:
λG: هدایت گرما از میان گازی که در درون سلول وجود دارد. 
λR : انتشار گرما از میان سلول های فوم.
λS: انتقال گرما از میان دیواره های سلولی پلیمر جامد.
λC : انتقال گرما از طریق انتقال گاز در درون سلول.
انتقال گرما تنها در سلول هایی با قطر ۱۰ mm مؤثر است. λC معمولاً در فوم های سخت یورتانی تجاری صفر می باشد. علاوه بر اندازه سلول، سرعت انتقال گرمای ترکیبات،  λR مستقیماً به قطر سلول بستگی دارد. سرعت انتقال گرما زمانی که دانسیته فوم کاهش می یابد، با نسبت زیادی افزایش می یابد و این افزایش در دانسیته های پایین، بیشتر می شود. انتقال گرما از میان پلیمر جامد، ۳۰% از کل انتقال گرما در فوم را شامل می شود. λS مشخصاً  با افزایش دانسیته فوم افزایش می یابد. به هر حال تغییر λ در دانسیته های فوم عایق بیشتر از ۲۸-۵۰ kg/m3  مؤثر نیست. بیشترین تغییرات هدایت حرارتی مربوط به تغییر λG در اثر تغییرات ترکیب گاز محبوس در سلول های فوم است. 

جدول ۱  هدایت حرارتی گازهایی که ممکن است در فوم سخت پلی یورتان وجود داشته باشد را نشان می دهد. سرعت جریان گرما از میان فوم همچنین به جهت گیری سلول های فوم بستگی دارد. همانطور که پیش از این گفته شد، در طول تشکیل فوم، حباب های منبسط شده تمایل به ارتجاع در جهت رشد فوم دارند.

دما ( ۰c) CFM-11 CFM-12 هوا دی­ اٌکسید کربن بخار آب
-۱۷.۸ ۰.۰۰۵۷۱ ۰.۰۰۷۷۸ ۰.۰۲۲۷ ۰.۰۱۳۳ ۰.۰۱۴۵
-۶.۷ ۰.۰۰۶۲۳ ۰.۰۰۸۱۳ ۰.۰۲۳۵ ۰.۰۱۴۱ ۰.۰۱۵۴
۰ ۰.۰۰۶۴۳ ۰.۰۰۸۴۴ ۰.۰۲۴۰ ۰.۰۱۴۶ ۰.۰۱۵۹
۴.۴ ۰.۰۰۶۵۷ ۰.۰۰۸۶۴ ۰.۰۲۴۴ ۰.۰۱۴۹ ۰.۰۱۶۳
۱۵.۶ ۰.۰۰۶۹۲ ۰.۰۰۸۹۹ ۰.۰۲۵۳ ۰.۰۱۵۷ ۰.۰۱۷۰
۲۶.۷ ۰.۰۰۷۴۳ ۰.۰۰۹۵۱ ۰.۰۲۶۰ ۰.۰۱۶۶ ۰.۰۱۷۹
۳۷.۸ ۰.۰۰۷۷۸ ۰.۰۰۹۸۶ ۰.۰۲۶۹ ۰.۰۱۷۵ ۰.۰۱۸۸

مقدار λ در جهت رشد فوم بیشتر خواهد بود. میزان ارتجاع و جهت گیری سلول ها به واکنش پذیری سیستم شیمیایی، فرآیند تولید فوم، شرایط تولید و مقدار λ اولیه در محدوده بین ۰.۰۱۳-۰.۰۱۷ w/m.k بستگی دارد.
هدایت حرارتی پایین فوم سخت که سلول های ریز حاوی CFC-11 دارند، پایین خواهد بود اگر فوم در داخل پوسته نفوذناپذیر باقی بماند. پلیمرهای پلی یورتان و پلی ایزوسیانورات، که دیواره سلولی فوم را تشکیل می دهند نسبت به گازهای با وزن مولکولی پایین نفوذپذیر هستند. فوم پلی یورتان سخت که دانسیته پایینی دارد، در صورتی که در معرض هوا قرار بگیرد مقدار λ با گذشت زمان افزایش می یابد. این امر به دلیل نفوذ هوا به درون سلول های فوم است. مولکول های بزرگ CFC-11 و CFC-12 در دمای معمولی به راحتی از دیواره های سلول عبور نمی کنند و چندین سال در آن ها باقی می مانند. به هرحال CFC ها ممکن است به راحتی در دماهای بالاتر آزاد شوند. شکل ۱ مراحل تئوری تغییرات هدایت حرارتی فوم که در مجاورت هوا قرار گرفته است را نشان می دهد. تغییرات به دست آمده تنها در نتیجه تأثیرات نفوذ هوا به دست آمده است.

زمان TA :
در پایان رشد فوم، فوم های داغ سلول هایی دارند که حاوی گازی با فشار بیشتر از فشار اتمسفر است. زمانی که فوم تا دمای اتاق سرد می شود، فشار در داخل سلول ها به زیر فشار اتمسفر کاهش می یابد. در طول سرد شدن فوم، هرگونه دی اکسید کربن موجود در سلول ها به بیرون از سلول مهاجرت می کند که در نتیجه این عمل مقدار λ به یک مقدار مینیمم می¬رسد.

زمان TA تا TB  و  TB  تا TC
در طول این دوره زمانی در ابتدا مقدار  λ فوم به دلیل نفوذ هوا افزایش می یابد. خط مستقیم،  TB  – TC ، در دماهای زیر ۲۴ درجه سانتیگراد ( نقطه جوش CFC-11) اتفاق می افتد. که فشار نسبی ثابت CFC-11 را در نتیجه حضور CFC-11  نشان می دهد.

زمان TD  – TC :
در طول این زمان تبخیر CFC-11 در اثر خروج بخار آهسته تر می شود تا فومی تولید شود که مقدار λ آن با سلول های پرشده از هوا برابر شود. 
در دنیای واقعی، مقدار λ فومی که ۲۰ سال پیش تزریق شده است، افزایش حقیقی مقدار هدایت، کمی بیش از مقدار مورد انتظار است. تأثیر عمر فوم در مقدار λ فوم پلی یورتان به اندازه نمونه فوم، دمای تعیین شده و نفوذپذیری گاز به سطح مواد بستگی دارد.
در آزمایشگاه نمونه های فوم بدون پوشش و کوچک که از قطعات بزرگتر بریده شده اند و تحت شرایط ثابت در دمای بین ۰-۷۰ درجه سانتیگراد قرار داده شده اند، یک افزایش ثابت در مقدار λ از خود نشان می دهند. این مقدار ثابت اغلب مقدار تعادلی خوانده می شود و مربوط به مقدار هوای محبوس در سلول هاست که با هوای شرایط آزمایش در تعادل است. مقدار تعادل نمونه های کوچک در یک سال در دمای ۶۰ درجه  و یا در ۵ سال در ۰ درجه سانتیگراد به دست می آید.

نویسنده: جعفر اسدی

به اشتراک بگذارید