رسانایی حرارتی فوم های پلی یورتان سخت

مهم ترین ویژگی یک ماده عایق، عملکرد عایقیت آن است. در مورد رسانایی حرارتی پلی یورتان نیز کارایی مواد توسط رسانایی حرارتی کم یا مقاومت حرارتی بالای آن تعیین می شود.

رسانایی حرارتی فوم های پلی یورتان سخت بستگی دارد به:

  1. گاز مورد استفاده در سلول ها

با توجه به اینکه مقدار سلول های بسته فوم های سخت پلی یورتانی بیش از 90 درصد هستند، عوامل پف زا در مواد عایق برای مدت زمان طولانی باقی می ماند. تبادل گاز با هوای اطراف توسط لایه ی انتشار-فشرده گاز کاهش می یابد.

  1. دانسیته

با افزایش چگالی، مقدار مواد ساختاری افزایش می یابد. این به طور مستقیم سهم رسانایی گرمایی را بر روی مواد ساختاری افزایش می دهد. افزایش رسانایی حرارتی مستقیما به نسبت افزایش دانسیته نمی باشد. رسانایی حرارتی فوم های پلی یورتان سخت در محدوده دانسیته 30 تا 100 کیلوگرم بر متر مکعب تغییرات کمی دارند.

  1. دما

با کاهش دما، رسانایی گرمایی مواد عایق کاهش می یابد. اما با افزایش دما، از سوی دیگر افزایش رسانایی گرمایی به حداقل می رسد.

  1. رفتار فوم در حضور آب و رطوبت

رسانایی گرمایی آب در دمای 25 درجه سانتی گراد (λ=0.58 W/(m . K می باشد. معمول ترین مواد عایق، رسانایی در محدوده W/(m . K) 0.05-0.02 دارند. همچنین آب جذب شده به دلیل غوطه وری در آن منجر به افزایش رسانایی گرمایی می شود. اما جذب آب فقط تاثیر کمی بر رسانایی حرارتی پلی یورتان دارد، زیرا مقاومت بسیار خوبی نسبت به نفوذ بخار آب دارد.

نکته: مقدار R-Value  فوم های پلی یورتان بالاتر از سایر انواع  مواد عایق می باشد.

مقاومت مواد عایق بر روی جریان گرما هدایت شده از طریق مقاومت حرارتی یا R-value آن تعیین می شود. هرچه مقدار R-value بالاتر باشد، عملکرد مواد عایق بیشتر است.

مقدار R-value به عوامل زیر بستگی دارد:

  1. نوع عایق
  2. ضخامت
  3. دانسیته
  4. دمای محیط و شرایط باد اثر مستقیم بر روی R-value مواد عایق دارند. آزمایش های مستقل نشان می دهد که در دمای 18 درجه فارنهایت، با سرعت باد 15 مایل در ساعت، مقدار R-value تئوری فوم پلی یورتان از 19 به 18 کاهش می یابد، در حالی که R-value بلانک از 19 به 7 کاهش می یابد.
  5. با توجه به این خواص حرارتی تاثیرگذار، فوم های پلی یورتان برای استفاده در سازه های جدید با حفظ استانداردهای عملکرد انرژی امروزی و همچنین مقرون به صرفه بودن مواد عایق حرارتی، رسانایی حرارتی مناسبی دارند.
  6. لوله کشی را می توان در دیوارهای بیرونی با استفاده از فوم های پلی یورتان بدون انجماد نصب کرد، زیرا تنها یک لایه نازک از فوم بین لوله ها و پوشش بیرونی وجود دارد.

خواص عمومی فوم سخت پلی یورتان

برخی از خواص عمومی فوم سخت پلی یورتان (فوم ریجید) عبارتند از:

  • قابلیت تشکیل فوم در محل پاشش یا ریزش؛
  • تنوع در دستیابی به دامنه وسیعی از خواص فیزیکی؛
  • خواص استحکام بالا همزمان با سبک وزن بودن؛
  • دارای خواص عایق حرارتی مناسب؛
  • قابلیت چسبیدگی بالا به فلز، چوب، شیشه و سرامیک.

وزن معادل مولکولی پلیول تاثیر قابل توجهی بر خواص نهایی فوم پلی یورتان دارد. به طور کلی با کاهش میانگین وزن معادل مولکولی پلیول از ۳۰۰ به ۱۰۰ خواص فوم سخت پلی یورتان نهایی بدین شکل تغییر می کند:

  • افزایش استحکام فشاری فوم پلی یورتان؛
  • افزایش سهم سلول های بسته در فوم؛
  • کاهش نرخ نفوذ بخار آب به درون فوم پلی یورتان؛
  • کاهش جذب آب؛
  • افزایش مقاومت حرارتی فوم پلی یورتان؛
  • کاهش نرخ افت گاز در سیستم های پف زای حلالی؛
  • تمایل بیشتر به شکنندگی در فوم؛
  • تمایل به سوختن فوم پلی یورتان؛
  • افزایش قیمت تمام شده هر کیلو فوم پلی یورتان؛

به علاوه با کاهش وزن معادل مولکولی پلی اول، واکنش گرمازا با شدت بیشتری در حین تشکیل فوم پیش می رود.

در یک سیستم پلیول مشخص، خواص فوم را می توان صرفاً با تغییر در دانسیته فوم پلی یورتان کنترل نمود. خواص فیزیکی فوم پلی یورتان مانند استحکام فشاری، مقاومت کششی، استحکام خمشی، مقاومت برشی و استحکام به ضربه، رسانایی حرارتی، نرخ جذب آب و ضریب کشسانی تا حد زیادی به دانسیته فوم پلی یورتان بستگی دارد. شکل ۱ نحوه تغییرات خواص استحکام فشاری و جذب آب در فوم سخت پلی یورتان (فوم ریجید) با تغییرات دانسیته فوم را نشان می دهد. شکل ۲ نیز تاثیر دانسیته بر استحکام برشی فوم سخت پلی یورتان را نمایش می دهد.

شکل ۱- تغییرات خواص استحکام فشاری و جذب آب در فوم سخت پلی یورتان با دانسیته

شکل ۲- تاثیر دانسیته بر استحکام برشی فوم سخت پلی یورتان

­­­

میزان سلول های بسته موجود در فوم سخت پلی یورتان علاوه بر وزن معادل مولکولی پلیول ، بستگی به مقدار پیوند دهنده های عرضی و سورفاکتانت های مورد استفاده در حین فوم کردن دارد. در فوم اسپری پلی یورتان، میزان میکس کردن مواد اولیه پلی یورتان ( پلیول و ایزوسیانات) تاثیر زیادی بر میزان سلول های بسته فوم سخت پلی یورتان دارند.

باید یادآور شد که در اکثر کاربردهای فوم سخت پلی یورتان، داشتن حداکثر سلول بسته در فوم مورد نیاز می باشد. به عبارتی، وجود سهم بالایی از سلول های بسته در فوم پلی یورتان برای به حداقل رساندن جذب آب، کاهش نفوذ رطوبت و بخار آب و حفظ گازهای عامل پف زا در داخل فوم ضروری است.

معمولا فوم سخت پلی یورتان دارای درصد بالایی از سلول های بسته می باشد( ۹۰%). البته در دیگر کاربرد فوم پلی یورتان، همانند فوم صندلی، کاهش تعداد سلول های بسته در فوم مطلوب می باشد.

خواص فیزیکی و مکانیکی فوم سخت پلی یورتان (فوم ریجید)

در یک سیستم مشخص، خواص فوم را می توان صرفا با تغییر در دانسیته فوم پلی یورتان کنترل نمود. خواص فیزیکی فوم پلی یورتان مانند استحکام فشاری، مقاومت کششی، استحکام خمشی، مقاومت برشی و استحکام به ضربه، رسانایی حرارتی، نرخ جذب آب و ضریب کشسانی تا حد زیادی به دانسیته فوم پلی یورتان بستگی دارد.

فوم سخت پلی یورتان (فوم ریجید) معمولا دارای دانسیته ای بین ۸ تا ۳۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب می باشد. البته مصرف فوم های سخت با دانسیته های بالاتر برای کابرد هایی مانند قطعات دکوراتیو ، مبلمان ، سرویس خواب ، آینه وکنسول و پایه صندلی و غیره که به فوم چوب معروفند نیز اخیرا در حال افزایش است.

لازم به توضیح است تولید فوم سخت پلی یورتان با دانسیته کمتر از ۲۴ کیلوگرم بر متر مکعب به طور ابعادی ناپایدار است وعملا غیر قابل استفاده می باشد. شکل ۳ تاثیردانسیته بر خواص مکانیکی فوم سخت پلی یورتان را نشان می دهد. این نمودار تا دانسیته ۱۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب را پوشش می دهد.

شکل ۴ نیز استحکام فشاری فوم سخت پلی یورتان با تغییرات دانسیته را نشان می دهد. همانطور که در شکل مشهود است، با افزایش دانسیته فوم، استحکام فشاری افزایش می یابد و همچنین استحکام فشاری با افزایش دمای فوم پلی یورتان (به ویژه در دانسیته های بالاتر) کاهش می یابد. شکل ۵ نیز تاثیر دما بر فوم سخت پلی یورتان در دامنه وسیعی از دما را نشان می دهد.

تاثیر دانسیته بر خواص مکانیکی فوم سخت پلی یورتان

شکل ۳- تاثیر دانسیته بر خواص مکانیکی فوم سخت پلی یورتان

استحکام فشاری فوم سخت پلی یورتان با تغییرات دانسیته و دما (رسانایی حرارتی پلی یورتان)

شکل ۴- استحکام فشاری فوم سخت پلی یورتان با تغییرات دانسیته

رسانایی حرارتی پلی یورتان

شکل ۵- تاثیر دما بر فوم سخت پلی یورتان

جدول ۱ خواص مکانیکی فوم سخت پلی یورتان را نشان می دهد. جالب توجه است که استحکام فشاری یا تراکمی در راستای عمود بر رشد فوم تقریبا نصف استحکام فشاری در راستای موازی با رشد فوم می باشد. جدول ۲ نیز مقاومت فشاری فوم سخت پلی یورتان پلی اتری و پلی استری در دانسیته های مختلف را با هم مقایسه کرده است.

در رابطه با استحکام فشاری باید اشاره کرد که در فوم سخت پلی یورتان معمولا یک ناحیه الاستیک وجود دارد که در آن میزان تنش تقریبا با میزان کرنش متناسب است. با این وجود، آنها به طور کامل از قانون هوک تبعیت نمی کنند. در نمودار پایین تنش اولیه تقریبا متناسب با کرنش است و یک بازگشت الاستیک وجود دارد.

بالای نقطه تسلیم، فوم بازگشت الاستیک کمتری از خود نشان می دهد. اگر فوم پلی یورتان بیشتر از نقطه تسلیم متراکم شود، ساختار فوم مچاله می شود. در فوم های با دانسیته پایین ( کمتر از ۶۴ کیلوگرم بر متر مکعب)، تنش لازم برای مچاله کردن فوم پلی یورتان برابر مقدار تنش در نقطه تسلیم است. ناحیه ثابت می تواند تا تراکم ۷۰% در فوم های با دانسیته پایین گسترش یابد. در دانسیته های بالاتر، شدت فلات کاهش می یابد و تنش لازم برای مچاله کردن فوم با افزایش کرنش بیشتر می شود.

نمودار تنش-کرنش فوم سخت پلی یورتان با دانسیته ۳۲ کیلوگرم بر متر مکعب

نمودار تنش-کرنش فوم سخت پلی یورتان با دانسیته ۳۲ کیلوگرم بر متر مکعب

اکثر فوم های سخت ( فوم ریجید) پلی یورتان دارای خاصیت ناهمسانگرد هستند بدین معنا که در جهت افزایش ارتفاع فوم (رایز) مقاومت بالاتری نسبت به جهت عمود بر آن دارند. این خاصیت ناهمسانگردی معمولا در موارد فوم قالبی یا پانل هایی که فوم در فاصله عمودی طولانی رشد می کند مشهود است.

در چنین شرایطی، ( فوم قالبی یا پانلی با ارتفاع رشد بالا)، یک فوم سخت دارای استحکام تراکمی تقریبا دو برابر در موازات فوم نسبت به جهت عمود بر رشد فوم است. در فوم های قالبی، با اعمال بار اضافی بر قالب می توان اختلاف در خواص فیزیکی فوم در جهت عمودی و افقی را به حداقل رساند اما در عین حال دانسیته فوم پلی یورتان نهایی افزایش خواهد یافت.

جدول ۱- خواص فیزیکی فوم سخت پلی یورتان

جدول ۲- تغییرات استحکام فشاری فوم سخت پلی یورتان با دانسیته

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

فهرست