فوم‌های بهینه‌سازی شده با نانوذرات، استحکام و خواص میرایی بیشتری نسبت به فوم‌های سنتی نشان می‌دهند. فوم های حاوی نانوذرات به عنوان کامپوزیت هایی با ماتریس پلیمری و پرکننده هایی که حداقل در یک بعد کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند، تعریف می شوند. نانوذرات به چند دلیل کلیدی فرصت مناسبی را در تشکیل فوم های پلیمری ارائه می دهند: به عنوان مکان های هسته زایی ناهمگن عمل کرده، رسانایی یا استحکام مکانیکی فوم را افزایش داده در حالی که سایر خواص را کاهش نمی دهد، باعث تغییر خواص رئولوژیکی و ساختار و چگالی فوم می شوند. بنابراین، استفاده از نانوذرات ممکن است منجر به تغییر محسوس مورفولوژی فوم، با افزایش خواص عایق حرارتی، کاهش پدیده پیری حرارتی و افزایش خواص مکانیکی شود.
فوم های استاندارد پلی یورتان (PU ) دارای محدودیت هایی مانند: استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی پایین هستند. خواص PU نه تنها به خواص ذاتی مواد خام، بلکه به مورفولوژی فوم مانند: تراکم سلولی، اندازه سلول و توزیع اندازه بستگی دارد. بنابراین، یکی از مهمترین جنبه های تحقیقات PU افزایش استحکام فوم بدون کاهش وزن سبک آن است. دو رویکرد برای حل این موضوع وجود دارد. اولین مورد کاهش اندازه متوسط سلول بدون کاهش دانسیته فوم است که به معنای چگالی ظاهری نهایی محصول می باشد. روش دوم استفاده از پرکننده ها برای تقویت ماتریس پلیمری است. توجه ویژه ای به استفاده از نانوپرکننده ها برای کاهش اندازه سلولی و در عین حال برای تقویت ماتریس پلیمری شده است.
تیتان (TiO2 ) به دلیل خاصیت خاص خود در جذب تابش خورشیدی استفاده شده است. به این ترتیب، TiO2 واکنش پذیر می شود و به اکسیژن اجازه می دهد تا با مواد آلی خطرناک برای انسان واکنش نشان داده و آن ها را به دی اکسید کربن انیدریت و آب تبدیل کند. از آنجایی که شکل TiO2 کروی بوده، تصمیم گرفته شده است که آن را در مقایسه با یک نانوذره دراز تجاری مانند: هالویزیت قرار دهیم. نانولوله های رسی هالویزیت (HNTs ) دارای دو بعد در مقیاس نانومتری بوده در حالی که بعد سوم بزرگتر است، این ذرات دارای ساختار کشیده ای هستند. نانوذرات TiO2 هر سه بعد را در مقیاس نانومتری دارند.
اندازه سلول، توزیع اندازه و تراکم سلولی به مکانیسم‌های هسته‌زایی و رشد سلولی بستگی داشته که همگی به چگالی ظاهری نهایی محصول کمک می‌کنند. اندازه سلول به طور معکوس با تعداد مکان‌های هسته‌زایی متناسب بوده و درصد نانوپرکننده‌ها می‌تواند سرعت هسته‌زایی را افزایش دهد. با افزودن این مواد، بهبود خواص حرارتی و مکانیکی حاصل شده، و این نتایج با آنالیزهای مورفولوژیکی انجام شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM ) مقایسه شده است.
مطالعه بیشتر: پلی یورتان و افزایش استحکام و ایمنی بدنه خودرو
مشخصات مورفولوژیکی:
هنگامی که یک پرکننده به یک ماده پلیمری اضافه می گردد، ایده آل این است که یک گرانولومتری منظم داشته باشیم و ذرات آن به اندازه کافی کوچک باشند تا توزیع بهتر در ماتریس را ممکن سازند. نانوذرات به دلیل کاهش موثر انرژی مورد نیاز برای ایجاد حباب، به عنوان عوامل هسته‌سازی عمل کرده و باعث تقویت هسته سلولی می‌شوند. بر اساس تئوری «کلاسیک» هسته‌زایی همگن، تشکیل حباب گاز در یک جرم مایع با تغییر در انرژی آزاد گیبس همراه است. بیان انرژی آزاد گیبس دارای حداکثر نقطه مطابق با مقدار شعاع بحرانی RC است. برای مقادیر شعاع کمتر از RC، حباب های تشکیل شده تمایل دارند دوباره در مایع حل شوند. رشد آن ها، در واقع، از نظر ترمودینامیکی یک نقطه ضعف بوده، زیرا نیاز به افزایش انرژی آزاد دارد. برای مقادیر بالاتر از شعاع RC، حباب تمایل به رشد داشته، زیرا این رشد با کاهش انرژی آزاد مطابقت دارد. هر عنصر جامد وارد شده به مخلوط، مانند: نانوذرات، تمایل به کاهش مقدار DG و در نتیجه تقویت هسته‌زایی دارد. هنگامی که هسته‌زایی در نزدیکی سطح مشترک با فاز سوم، معمولاً جامد، اتفاق می‌افتد، به آن هسته‌زایی ناهمگن می‌گویند. سد انرژی برای هسته زایی ناهمگن در مقایسه با هسته همگن بسیار کاهش می یابد. به ویژه، هرچه کشش سطحی جامد-مایع بیشتر باشد و کشش سطحی گاز-جامد کمتر باشد، بیشتر کاهش می یابد. در این مطالعه، به دلیل کشش سطحی جامد- مایع بالاتر، در مورد هالویزیت هسته‌زایی بالاتری وجود داشته که هدایت حرارتی بهتری را ایجاد می کند. نانوذرات در مقایسه با عوامل هسته‌زای معمولی دارای تماس سطحی بسیار گسترده با ماتریس پلیمری و چگالی سطحی بسیار بالایی هستند. در مقایسه با ذرات پرکننده معمولی در اندازه میکرون که در فرآیندهای فوم‌سازی استفاده می‌شوند، نانوذرات مزایای منحصربه‌فردی را برای افزایش هسته‌زایی ارائه می‌دهند.
ابعاد بسیار ظریف و مساحت سطح بزرگ نانوذرات، تماس قوی تری بین ذرات، ماتریس پلیمری و گاز ایجاد می‌کند. احتمالاً، شکل میله ای هالویزیت، در مقایسه با شکل کروی TiO2، مانع بزرگی در مخلوط مایعی است که فوم PU را ایجاد می کند. همانطور که قبلا ذکر شد، هر مانعی که ایجاد می کند با تقویت هسته، انرژی آزاد گیبس را کاهش داده و در نتیجه خواص عایق را افزایش می دهد.
فوم PU دارای سلول های کمتر و اندازه سلولی بزرگتر نسبت به فوم های نانوکامپوزیت PU است. فوم‌های PU حاوی نانوذرات دارای چگالی سلولی بالاتر Nc و اندازه سلولی کوچکتر هستند، که نشان می‌دهد نانوذرات پراکنده به عنوان مکان‌های هسته‌زایی ناهمگن در طول تشکیل سلول عمل می‌کنند. با افزودن نانوذرات، ساختار کلی سلول، یکنواختی کمتری داشته، دیواره‌های سلولی ضخیم‌تر شده است. تغییرات در مورفولوژی سلولی به دلیل وجود نانوذراتی است که بر فرآیند هسته‌زایی سلول تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، کاهش اندازه سلولی فوم حاوی نانوذرات به این دلیل است که نانوذرات به عنوان نقاط هسته زا عمل کرده و در نتیجه تعداد سلول های بیشتری تشکیل داده و به همین دلیل اندازه سلول کوچکتر می شود. بنابراین، مسائل کلیدی در کاهش اندازه سلولی و افزایش تراکم سلولی، افزودن مقادیر کمی از نانوذرات و پراکندگی یکنواخت آن ها در ماتریس پلیمری است.
رسانایی حرارتی:
فوم های حاوی TiO2 3 و ۱۰ روز پس از تولید، روند یکسانی را در مقدار رسانایی نشان می دهند. داده‌های رسانایی حرارتی احتمالاً به دلیل اینکه نانوذرات به‌طور بدی در مخلوط پراکنده شده و مقدار رسانایی ناپایدار ایجاد می‌کنند، ۶ درصد بدتر می‌شوند. این به دلیل دو عامل است: اولین عامل این است که اگلومره ها به جای گره های سلول روی دیوار چیده شده اند و دومی وجود تعداد زیادی سلول شکسته است. در فوم های PU با افزودن HNT ها مقدار رسانایی به تدریج با افزایش درصد نانوذرات تا ۸ درصد کاهش می یابد. برای هر دو ترکیب فوم، زمانی که غلظت نانوذرات به ۱۰ درصد می‌رسد، اثرات مخربی از نظر رسانایی رخ می‌دهد. افزودن نانوذرات بالای ۸ درصد منجر به تشکیل سلول های بزرگتر و شکسته شده که خاصیت عایق بودن فوم را از بین می برد.
بدون دیدگاه