اثر اندازه سلول بر رسانایی حرارتی فوم پلی‌یورتان

بطوریکه پارامترها بصورت زیر تعریف می‌شوند:

• هدایت فاز جامد (λsolid): وابسته به پیوستگی اسکلت پلیمری و ضخامت دیواره‌های سلولی
• هدایت فاز گازی (λgas): وابسته به نوع گاز محبوس و اندازه سلول
• تابش حرارتی (λradiation): وابسته به اندازه سلول و شفافیت دیواره‌ها

اندازه سلول‌ها و توزیع سایز

اندازه سلول تأثیر عمده‌ای بر رسانایی حرارتی مؤثر دارد که عمدتاً از طریق تأثیر آن بر تابش، همرفت و نقش‌های نسبی هدایت جامد در مقابل هدایت گاز کنترل می‌شود. محققان در مطالعه ای، رسانایی حرارتی (λ) را مورد بررسی قرار دادند به طوری که کاهش قطر سلول از حدود ۳.۱ میلی‌متر به ۰.۷۲۵ میلی‌متر در فوم پلی یورتان با سلول‌های باز، λ  را از حدود ۰.۰۴۵ به حدود ۰.۰۲۹ وات بر مترکلوین در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد هنگامی که از بالا گرم می‌شود، کاهش می‌دهد. دلیل اصلی این است که سلول‌های کوچکتر دیوارهای ضخیم‌تر و در فاصله‌های کوتاه‌تر هستند که تابش مادون قرمز را به‌طور مؤثرتری جذب و پخش می‌کنند. 

یکی از مهم‌ترین مکانیسم‌های اثرگذاری اندازه سلول بر رسانایی حرارتی، اثر نودسن (Knudsen effect) است. زمانی که قطر سلول‌ها به اندازه‌ای کاهش یابد که قابل مقایسه با مسیر آزاد متوسط مولکول‌های گاز شود، برخورد مولکول‌ها با دیواره‌های سلولی افزایش یافته و هدایت گازی کاهش می‌یابد. بطور کلی، مدل‌ها و آزمایش‌ها در مورد فوم‌های پلی‌یورتان نشان می‌دهند که رسانایی حرارتی مؤثر با افزایش اندازه سلول افزایش می‌یابد زیرا هدایت تابشی با کاهش ضریب محو شدن هنگام بزرگ شدن منافذ افزایش می‌یابد. اگر فاز گاز بهینه‌سازی شود، فوم‌های میکروسلولار با اندازه سلول‌های کمتر از حدود ۰.۲-۰.۱ میلی‌متر می‌توانند سهم تابش را به چند میلی‌وات بر مترکلوین کاهش دهند و رسانایی حرارتی مؤثر کل را به حدود ۰.۰۲۲ وات بر مترکلوین برسانند.

برای فوم پلی‌یورتان سخت در فشار اتمسفری، هدایت گاز غالب است، اما اندازه سلول همچنان اهمیت دارد. سلول‌های بسیار کوچک (در حدود کمتر از طول آزاد میانگین مولکول‌های گاز) شروع به کاهش هدایت گاز از طریق اثرات کدنس می‌کنند؛ در عمل، این به معنای ورود به محدوده میکروسلولار (<0.1 میلی‌متر) و/یا خلاء جزئی است. 

انتقال حرارت از طریق همرفت به میزان زیادی به اندازه سلول وابسته است. همرفت درون سلول‌های بسته ناچیز است، بنابراین هدایت گاز تقریباً صفر و رسانایی حرارتی موثر عمدتاً با مجموع هدایت گاز، رسانایی حرارتی فاز جامد فوم و رسانایی تابشی برابر است. بالای این آستانه، جریان‌های شناور می‌توانند درون هر سلول بزرگ توسعه یابند، که قسمت همرفتی رسانایی حرارتی مؤثر را تقویت کرده و رسانایی حرارتی موثر را افزایش می‌دهد. به همین دلیل است که فوم سلول بسته با سلول‌های بسیار بزرگ در این مطالعه بالاترین رسانایی حرارتی را دارد و هنگامی که گرمکن زیر آن قرار دارد، افزایش شدیدی را نشان می‌دهد، زیرا همرفت به‌طور کامل در هر حفره فعال است.

بطورکلی کاهش اندازه متوسط سلول منجر به کاهش رسانایی حرارتی فوم می‌شود، دلایل اصلی این کاهش عبارتاند از:

• کاهش سهم هدایت گازی بدلیل اثر کنودسن
• کاهش سهم تابش حرارتی به علت کوتاه‌تر شدن مسیر انتقال تابشی
• توزیع یکنواخت‌تر سلول‌ها و کاهش نواحی با هدایت موضعی بالا

فوم‌هایی با اندازه سلول کمتر از ۲۰۰ میکرومتر معمولاً عملکرد حرارتی بهتری نسبت به فوم‌های با سلول‌های درشت‌تر نشان می‌دهند. اندازه سلول، نه‌تنها یک پارامتر مورفولوژیک، بلکه یک عامل کلیدی در مهندسی انتقال حرارت در فوم‌های سخت پلی‌یورتان است. در بسیاری از موارد، کاهش اندازه سلول مؤثرتر از افزایش دانسیته در کاهش رسانایی حرارتی است. با این حال، کاهش بیش‌ازحد اندازه سلول ممکن است باعث افزایش سهم فاز جامد و در نتیجه افزایش هدایت جامد شود؛ بنابراین یک اندازه بهینه برای سلول‌ها وجود دارد.

علاوه بر اندازه متوسط، توزیع اندازه سلول نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. فوم‌هایی با توزیع باریک و یکنواخت سلولی دارای رسانایی حرارتی پایین‌تری هستند، چرا که با کاهش مسیرهای ترجیحی انتقال حرارت، رسانایی کاهش می‌یابد؛ ضمن اینکه با توزیه یکنواخت، نواحی با سلول‌های درشت که تابش حرارتی بیشتری دارند محدود می‌شوند.

نقش سلولهای بسته

فوم‌های سخت پلی‌یورتان با درصد بالای سلول بسته، گازهای با هدایت حرارتی پایین مانند دی‌اکسیدکربن یا سیکلوپنتان را درون خود نگه می‌دارند. کوچک بودن اندازه سلول باعث پایداری بیشتر این گازها و کاهش نفوذ هوا در بلندمدت می‌شود، که نقش مهمی در حفظ خواص عایقی دارد.