آمادگی برای زمستان: ذرات سیلیس توخالی به عنوان نسل جدید سیستمهای عایق حرارتی
مواد عایق حرارتی رایج فعلی، مانند فایبرگلاس نصب شده در بالا، رسانایی حرارتی نسبتا بالایی دارند و بنابراین برای کاربرد موثر به عنوان عایق، به لایههای ضخیم آن نیاز است. سیستمهای عایق نسل بعدی مبتنی بر ذرات سیلیس توخالی میتوانند هزینههای مواد اولیه و فضای مورد نیاز را کاهش دهند. ( اریک مکلین)
با توجه به احتمال افزایش سرمای شدید در طول زمستان در نیمکره شمالی، بهبود عایقکاری برای ساختمانها در این مناطق ضروری است. مواد عایق حرارتی رایج کنونی، مانند فایبرگلاس، پشم معدنی و پلی استایرن، رسانایی حرارتی نسبتا بالایی دارند (Wm-۱K-۱ ۰.۰۳۰-۰.۰۴۰)؛ بنابراین برای دستیابی به عایق موثر به لایههای ضخیم آنها نیاز است. این لایهبندی منجر به هزینههای بالای مواد اولیه، حمل و نقل و حذف آنها میشود و همچنین فضای قابل توجهی را در تجهیزات ساختمانی اشغال میکند.
آئروژلها مواد عایق پیشرفته با رسانایی حرارتی بسیار کم (Wm-۱K-۱ ۰.۰۲۰-۰.۰۱۲) هستند. آنها به واسطه نانوساختارهای بسیار متخلخل قادر هستند هوا را در حفرههای خود محبوس کنند که جابجایی گرما را محدود میکنند. با این حال، هزینه بالا، شکنندگی و عدم امکان مقیاس پذیری صنعتی آنها مانع استفاده تجاری میشود.
در دهه گذشته، ذرات سیلیس توخالی به عنوان نوع جدیدی از مواد عایق توجه بسیاری را به خود جلب کردهاند. همانند آئروژلها، حفرههای سیلیس توخالی مسیرهای انتقال گرما را در فاز جامد و گاز مسدود میکنند و به این مواد رسانایی حرارتی نسبتا پایینی میدهند (Wm-۱K-۱ ۰.۰۳-۰.۰۲). با این حال، برخلاف آئروژلها، ذرات سیلیس توخالی را به راحتی میتوان با روش های کم هزینه سنتز کرد. ذرات توخالی سیلیکا به تنهایی میتوانند برای سلامتی مخاطره آمیز باشند، بنابراین محققان به دنبال کامپوزیت کردن این ذرات با مواد دیگر برای کاهش خطرات ناشی از آن و همچنین حمل و نقل آسان هستند.
مطالعات متعددی به بررسی کامپوزیت ذرات توخالی سیلیس با پلیمرها پرداختهاند. با این حال، از آنجایی که جز اصلی کامپوزیت، پلیمری میباشد و آنها رسانایی حرارتی بالایی دارند (Wm-۱K-۱ ۰.۳۰-۰.۱۵)، بازدهی کامپوزیت را از حیث عایق بودن کاهش میدهد. در عوض، محققان اکنون در حال بررسی کامپوزیتسازی ذرات توخالی سیلیس با سایر مواد عایق هستند. دو مطالعه اخیر کار در این زمینه را نشان میدهد.
اولین مطالعه با دسترسی آزاد، توسط محققان آزمایشگاه ملی Oak Ridge، کامپوزیتی از ذرات سیلیس توخالی با الیاف سلولزی و کربن بلک را با روش انجمادی خشک کرده تا یک کامپوزیت بسیار آبگریز اما از نظر ساختاری پایدار ایجاد کند. رسانایی حرارتی کامپوزیت تقریبا Wm-۱K-۱ ۰.۰۰۳ ± ۰.۰۲۵ بود که از مقادیر رسانایی حرارتی برای الیاف سلولزی (Wm-۱K-۱ ۰.۰۵) و ذرات سیلیس توخالی (Wm-۱K-۱ ۰.۰۰۲ ± ۰.۰۲۸) به تنهایی کمتر بود. این یافته شگفتانگیز بود زیرا تاکنون طبق گفته محققان: «در تمام کامپوزیتهای دیگر گزارششده تا به امروز، رسانایی حرارتی کامپوزیت همیشه بالاتر از رسانایی حرارتی ذرات سیلیس توخالی است». آنها بر این عقیدهاند که فصل مشترکهای ناهمگن درون کامپوزیت - یعنی فصل مشترکهای بین ذرات توخالی سیلیس، الیاف سلولزی و کربن بلک- در کاهش انتقال حرارت نقش دارند.
(A) تصویر SEM از ذرات توخالی سیلیس، (B) تصویر SEM از الیاف سلولز، (C) شماتیک ساخت کامپوزیت و (D) عکس مواد کامپوزیت. ( Sharma و همکاران،RSC Advances (CC BY ۳.۰) (مطالعه دوم که توسط محققان دانشگاه بافلو و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام شد، از اختلاط مکانیکی با تنش برشی بالا (high-shear mechanical mixing) برای ساخت کامپوزیتهای توخالی سیلیس- فایبرگلاس استفاده کرد. ذرات سیلیس توخالی از دو روش سنتز کم هزینه ایجاد شدند. به کمک روش سنتز در فاز گازی، پوستههای توخالی با مکانیزم رسوب سطحی قطرات در یک راکتور آئروسل حرارتی ایجاد شدند. در روش سنتز فاز مایع، پوستههای توخالی با حذف قالب کربنی که با واکنش هیدروترمال گلوکز تولید شده بود، تشکیل شدند. در روش سنتز در فاز گازی، کامپوزیت حاوی ۶۰ درصد وزنی SiO۲ در فاز گازی کمترین هدایت حرارتی (Wm-۱K-۱ ۰.۰۲۳) را ثبت کرد. کامپوزیتهای حاوی SiO۲ فاز مایع کمترین رسانایی حرارتی خود را (Wm-۱K-۱ ۰.۰۲۶) در ۵۰ درصد وزنی به دست آوردند. هر دو کامپوزیت فاز گازی و فاز مایع SiO۲ عملکرد عایق حرارتی بهتری نسبت به کامپوزیتهای ایجاد شده با استفاده از ژل سیلیکا تجاری (Wm-۱K-۱ ۰.۰۳۳) ارائه کردند. علاوه بر رسانایی حرارتی کم، کامپوزیتهای توخالی سیلیس- فایبرگلاس انعطافپذیری مکانیکی بالاتری را نشان دادند. به طور خاص، مدول یانگ کامپوزیت های SiO۲ فاز گازی ، SiO۲ فاز مایع و SiO۲تجاری به ترتیب ۳۵ کیلو پاسکال، ۳۰ کیلو پاسکال و ۱۵ کیلو پاسکال بودند. در نهایت به گفته محققان، این یافتهها نشان میدهد که رویکرد توصیفشده در اینجا، روشی امیدوارکننده برای تولید انبوه در مقیاس صنعتی و کمهزینه مواد عایق حرارتی با کارایی بالا است.
مقاله اول:
مقاله دوم:
منبع:
|
