دسته بندی علمی – پژوهشی : آنالیز و مدلسازی انتقال حرارت- قسمت ۱۷

شکل ‏۲‑۱۹: تأثیر دما بر روی ظرفیت حرارتی ویژه در کامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه و ذغال آن.توسط Hendeson و همکاران.
Henderson and wiecek [38]گزارش دادند که گرماهای ویژه برای لایه اصلی^[۲۱۴] و ذغال تابع دما هستند و به وسیله فرمول زیر محاسبه می‌شود:

همانند هدایت حرارتی؛ گرماهای ویژه لایه و ذغال بایست به صورت آزمایشگاهی در محدوده‌ی دمایی موردنظر اندازه گیری شده و سپس این تابع با داده‌های نموداری fit شود^[۲۱۵].
فصل سوم
کارهای تجربی و مدلسازی

مقدمه

امروزه استفاده از پلیمرهای معمول مانند پلی یورتان‌ها به دلیل مزایایی مانند سبک وزن بودن، ساده بودن فرآیند ساخت و شکل‌دهی، دوام و پایین بودن هزینه‌های ساخت نسبت به دیگر مواد-حتی دیگر پلیمرها- با استقبال بیشتری مواجه شده است. یکی از موانع و مشکلات موجود در استفاده از پلیمرها بحث مربوط به خواص مکانیکی مانند مدول، استحکام و قابلیت اشتعال و مقاومت در برابر حرارت می‌باشد. خطرات ناشی از آتش‌سوزی و همچنین خطرات حاصل از گازهای سمی مثل مونواکسیدکربن و دود یکی از معایب استفاده از مواد پلیمری و پلاستیکی است.[۸۲]
به همین منظور استفاده از موادی با عنوان تأخیردهنده اشتعال^[۲۱۶] که باعث تأخیر در فرآیند اشتعال پلیمر و افزایش زمان شروع احتراق^[۲۱۷] و در نتیجه افزایش بازده و ایمنی قطعه مورد استفاده در مجاورت حرارت خواهد شد. تأخیردهنده اشتعال موجب شکستن چرخه اشتعال^[۲۱۸] می‌شود و در نتیجه از طریق مکانیسم‌های مختلف باعث خاموشی شعله خواهد شد و یا سرعت سوختن آن را کاهش خواهد داد.
تاخیر اشتعال در پلی‌یورتان بوسیله افزودن و یا قرار دادن یک عنصر خاص هالوژنه در ساختار، ایجاد می‌شود. این تأخیردهنده اشتعال می‌تواند آمیزه‌هایی آلی شامل ترکیبات هالوژن‌ها(کلر یا بروم) و ترکیبات فسفره باشد. ترکیبات آنتیموان یا بروم(Boron) بندرت مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی مواقع ترکیبات معدنی مثل هیدرات آلومینیوم(Al₂O₃*nH₂O)، اکسید آنتیموان(Sb₂O₃) و آمونیوم فسفات بعنوان تأخیردهنده اشتعال در پلی‌یورتان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بیشتر تأخیردهنده‌های اشتعال پرکاربرد در فوم‌های سخت و نرم، استرهای فسفاته و کلره هستند که در برخی مواقع با ملامین ترکیب شده‌اند.[۸۳]
استفاده از تأخیردهنده‌های هالوژنه یکی از مؤثرترین راه‌های کاهش اشتعال‌پذیری در بسیاری از پلیمرها بدون تأثیر بر روی خواص مکانیکی ماده است. از طرفی مضرات ناشی از استفاده از این مواد در طبیعت یکی از دلایل عمده عدم استفاده از این مواد تأخیردهنده است.[۸۲]
از طرفی یکی از مشکلات استفاده از سیستم‌های تأخیردهنده اشتعال غیر هالوژنه و افزودنی‌های معدنی رایج، نسبت ابعاد^[۲۱۹] پایین آنها و میزان زیاد استفاده در ترکیب برای افزایش و بهبود خواص و تأثیرگذاری مناسب از لحاظ تأخیر در اشتعال بگذارند، نیاز به مقدار^[۲۲۰] زیادی از تأخیر دهنده می‌باشند-حدود ۶۰%- که خود موجب افت خواص مکانیکی مثل کاهش انعطاف‌پذیری در محصول نهایی، افزایش میزان دانسیته، خواص مکانیکی ضعیف، مشکلات فرآیند پذیری و آمیزه‌سازی خواهد شد. از این رو رفته رفته استفاده از ذرات نانو جهت بهبود خواص به دلیل افزایش نسبت ابعادی و در عین حال کاهش میزان استفاده از ذرات افزایش یافت، نانوکامپوزیت‌های پلیمری لایه‌ای سیلیکاته^[۲۲۱] یکی از جدیدترین راه‌های مورد استفاده بعنوان تأخیردهنده اشتعال است که نسبت به دیگر فرمولاسیون‌های سنتی و مرسوم که اغلب میزان درصد وزنی زیادی جهت تأثیرگذاری نیاز دارند مورد استفاده قرار گرفته‌اند.[۸۲, ۸۴, ۸۵]
در هنگام اشتعال و سوختن نانوکامپوزیت‌های پلیمری، یک لایه سطحی بر بالای پلیمر خام^[۲۲۲]تشکیل می‌شود که بعنوان یک سپر حرارتی و جرمی^[۲۲۳] موجب کاهش سرعت انتقال جرم گازهای حاصل از پیرولیز به سطح به دلیل کاهش گرمای انتقالی به ماده پیرولیز نشده؛ خواهد شد. علاوه بر این؛ در حضور نانوذرات دما ؛ دمای شروع به احتراق^[۲۲۴] در لایه سطحی پلیمر افزایش خواهد یافت.[۸۴]
بیشتر کارهای انجام شده در گذشته بیشتر با محوریت تهیه نانوکامپوزیت پلی‌یورتان و بررسی خواص بدست آمده می‌باشد. [۳۳, ۳۴, ۸۵-۸۸] همچنین در مواردی استفاده از تأخیردهنده‌های اشتعال جهت افزایش مقدار پایداری حرارتی مشاهده شده است.[۸۹]
یکی از روش‌های رسیدن به اهداف بالا اصلاح پلیمرهای آلی با افزودنی‌های معدنی با خواص متمم و تکمیل کننده می‌باشد.
با وجود تمامی مزایای استفاده از نانوپرکننده‌ها، باز هم افزایش نانو مواد نیز تا حد خاصی پیشنهاد شده است و بیشتر از آن مقدار خواص تغییرات خاصی نخواهد کرد و یا حتی با افت خواص مواجه خواهیم شد. همانطور که گفته شد استفاده هر کدام از مواد تأخیردهنده هالوژنه و نانورس به تنهایی دارای معایبی است؛ بنابر این در این پروژه مبنای کار استفاده از دو ماده نانورس و تأخیردهنده اشتعال جدید اوره کندانس؛ به دلیل همپوشانی نقاط ضعف هرکدام از مواد و اثرات برهم افزایی^[۲۲۵] این دو ماده است.
در این فصل ابتدا به مباحث مربوط به تهیه نمونه‌های کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی با استفاده از یک پلی ال و ایزوسیانات به همراه خاک‌رس اصلاح شده در مقیاس نانو و تأخیر دهنده اشتعال اوره کندانس تهیه شده توسط Sharzehee[90]؛ به عنوان یک تآخیر دهنده اشتعال جدید و سازگار با پلی یورتان و خاک رس؛ به بررسی و مقایسه ر
فتار حرارتی ایجاد شده و روند تأثیر دو ماده کلوزیت B30 و اوره کندانس بر روی خواص اشتعال‌پذیری و مقاومت و پایداری حرارتی بر اساس آزمون‌های حرارتی وتحلیل آنالیزهای حرارتی TGA و DSC پرداخته و سپس با استفاده از نتایج بدست آمده از آنالیزهای فوق به ترتیب پارامترهای سینتیکی و ظرفیت حرارتی ویژه و گرمای حاصله از تجزیه را بدست آورده می‌شود.
در نهایت با قرار دادن پارامترهای سینتیکی بدست آمده، معادله سینتیکی کلی را برای واکنش تجزیه هر کدام از نمونه‌ها بدست خواهیم آورد.
با استفاده از روش ارائه شده توسط Henderson و استفاده از سه معادله پیوستگی و سینتیکی و انتقال حرارت و جایگذاری پارامترهای محاسبه شده، درمعادلات فوق‌الذکر؛ مقادیر T , m ,m_g بدست آورده شده است.