پلی یورتان ها در ابتدا بطور اتفاقی در اواخر دهه ۱۹۳۰ کشف شدند و از آن زمان به یک پلیمر چند منظوره تبدیل شده اند که کاربردهای صنعتی و مصرفی متعددی دارد. شیمی تطبیق پذیر پلی یورتان، سنتز فوم های انعطاف پذیر و سخت را امکان پذیر کرده و آن را در کاربرد های لوازم خانگی از یخچال گرفته تا مبلمان روکش دار و حتی پنل های عایق ساختمانی ارزشمند می سازد. فوم سخت پلی یورتان و بویژه انواع با دانسیته کم، رسانایی حرارتی حداقل و دوام عالی را نشان می دهد؛ این ویژگی ها آن را برای اهداف عایق بندی در ساختمان ها و نیز وسایل مورد استفاده به یک ماده ایده آل تبدیل می کند.
فوم پلی یورتان با بهره گیری از ساختار سلولی خود برای به دام انداختن گازها، انتقال حرارت را از طریق رسانایی، همرفت و تابش کاهش می دهد. توانایی حفظ ساختار تحت تنش حرارتی و امکان طراحی در شکل های مختلف موجب می شود که فوم پلی یورتان کاندیدای اصلی برای طراحی همخوان با نیازهای بهره وری انرژی -بویژه امروزه که زندگی پایدار و صرفه جویی در انرژی به طور فزاینده ای در اولویت قرار گرفته است- باشد.
هدایت حرارتی، مفاهیم و شیوه اندازه گیری
عایق سازی حرارتی کاهش انتقال حرارت بین مناطق با دماهای مختلف است. گرما بطور طبیعی از مناطق گرمتر به مناطق سردتر توسط سه مکانیسم اصلی جریان می یابد:
۱. رسانش۱. این نوع انتقال گرما از طریق تماس مستقیم بین مولکول ها انجام می شود. در جامدات، مایعات و گازها مولکول ها انرژی جنبشی خود را به مولکول های مجاور خود منتقل می کنند. این فرآیند به بهترین شکل توسط قانون رسانایی گرمایی فوریه توصیف می شود:
بطوریکه dQ/dT نرخ انتقال حرارت (W)، k یا 𝜆 ضریب رسانش حرارتی (W/m·K)، 𝐴 مساحت سطح مقطع (m²) و dT/dx گرادیان دما (K/m) است. پارامتر λ توانایی ماده در هدایت گرما را فارغ از شکل و اندازه آن بیان می کند؛ بطوریکه کم بودن مقدار λ نشان دهنده رسانایی حرارتی ضعیف و در نتیجه بهتر بودن خواص عایق است.
۲. همرفت۲. همرفت شامل حرکت سیالات (مایعات یا گازها) است که گرما را با خود حمل می کنند. جریان همرفتی می تواند بطور طبیعی (همرفت آزاد، زمانی که سیال گرم تر بالا می رود و سیال سردتر پایین می رود) و یا با ابزار مکانیکی (همرفت اجباری) رخ دهد. راندمان انتقال حرارت همرفتی به خواص سیال، سرعت آن و اختلاف دما در مرز بستگی دارد.
۳. تابش۳. برخلاف رسانش و همرفت، تابش به محیط مادی نیاز ندارد. این روش گرما را از طریق امواج الکترومغناطیسی، معمولاً در طیف مادون قرمز، منتقل می کند. مقدار انتقال تابشی به قابلیت تابش یک سطح بسیار وابسته بوده و توسط قانون استفان-بولتزمن تعیین می شود:
بطوریکه 𝜀 قابلیت تابش (از ۰ برای یک بازتابنده کامل تا ۱ برای یک جاذب کامل)، 𝜎 ثابت استفان-بولتزمن و T1 و T2 دمای مطلق سطوح بر حسب کلوین هستند.
قضاوت در مورد این مسأله که یک عایق از نظر میزان انتقال حرارت چه راندمانی دارد با کمک مفاهیم ذکر شده و با استفاده از پارامترهای زیر تعریف می شود:
- ضریب رسانش حرارتی۴ (λ-Value). همانطور که عنوان شد این پارامتر توانایی ماده در هدایت گرما را فارغ از شکل و اندازه آن بیان می‌کند؛ بطوریکه کم بودن مقدار λ نشان دهنده بهتر بودن خواص عایق است. فوم‌های سخت پلی‌یورتان می‌توانند ضریب رسانش حرارتی بسیار کم و تا مقدار W/m·K 0.022 داشته باشند؛ به این معنی که برای ضخامت یکسان، مقاومت بیشتری در برابر جریان گرما در مقایسه با بسیاری از مواد عایق سنتی ارائه می‌دهند.
- مقاومت حرارتی۵ (R-Value). این پارامتر مقاومت یک ماده در برابر جریان حرارتی را نشان می دهد و با نسبت ضخامت ماده به ضریب رسانش حرارتی تعریف می گردد. مقدار بالای R نشان دهنده مقاومت زیاد در برابر انتقال حرارت است. تعریف وابستگی راندمان عایق بودن در ضخامت های مختلف با این پارامتر به راحتی توضیح داده می شود.
- ضریب انتقال حرارتی کلی۶ (U-Value). این پارامتر -که با واحد W/m2.K بیان می‌شود- انتقال حرارت کلی یک جزء را با درنظر گرفتن تمامی مکانیسم های انتقال حرارت، شکل ظاهری، ضخامت، لایه های مختلف ماده و مقاومت های سطحی ارائه می دهد. مقدار U کمتر نشان دهنده راندمان عایق بالاتر است، به این معنی که گرمای کمتری از محیط کنترل شده خارج (یا وارد) می شود. این پارامتر از نظر ریاضی معکوس مقاومت حرارتی کلی (R-Value) بوده و برای بررسی راندمان کلی یک عایق به عنوان مثال دیواره یخچال و یا پنل های عایق ساختمانی مفید است.
یک راه مؤثر برای مقایسه مواد عایق مختلف، بررسی مستقیم رسانایی حرارتی آنهاست. جدول زیر خلاصه ای از این بررسی را ارائه می دهد.
جدول ۱ : مقایسه ضریب رسانش حرارتی در مواد عایق
ماده عایق | ضریب رسانش حرارتی (W/m.K) | ویژگی کلیدی |
فوم سخت پلی یورتان | ۰.۰۲۲-۰.۰۳ |
|
پلی‌استایرن انبساط یافته (EPS) | ۰.۰۳۳-۰.۰۴ |
|
پلی‌استایرن اکسترود شده (XPS) | ۰.۰۲۹-۰.۰۳۵ |
|
پشم سنگ | ۰.۰۳۵-۰.۰۴۵ |
|
عایق الیاف شیشه | ۰.۰۳۵-۰.۰۴۵ |
|
اثر هم‌افزایی مقدار λ پایین و مقدار R زیاد، فوم پلی‌یورتان را نه تنها به یک مانع حرارتی مؤثر، بلکه به ماده‌ای تبدیل می‌کند که برای کاربردهای نازک اما بسیار کارآمد در لوازم خانگی مدرن مناسب است.
پلی‌یورتان‌های مناسب برای استفاده بعنوان عایق
برای کاربردهای لوازم خانگی، دو سیستم اصلی پلی یورتان عبارتند از:
- فوم پلی یورتان سخت۷. این فوم ها رایج ترین نوع برای کاربردهای عایق حرارتی بوده و بطور گسترده در یخچال ها، فریزرها و عایق های ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرند؛ فوم های سخت پلی یورتان مناسب برای کاربری عایق عمدتا دارای ماهیت سلول بسته بوده و محبوس شدن گازها یا عوامل فوم زا به کاهش ضریب رسانش حرارتی آنها کمک می کند. مقاومت بالای این فوم ها در برابر انتقال حرارت (بالا بودن مقدار R) آنها را برای استفاده در کاربردهای خانگی به یک گزینه مناسب تبدیل می کند.
- فوم پلی ایزوسیانورات۸. پلی ایزوسیانورات نوعی از پلی یورتان با خواص حرارتی و مقاومت بهبودیافته در برابر آتش است و اغلب در مناطقی استفاده می شود که استانداردهای بهره وری انرژی و ایمنی سختگیرانه هستند. عملکرد آن حتی در دماهای بالاتر نیز حفظ می شود و گزینه ای قابل اعتماد برای عایق بندی در کاربردهای متنوع لوازم خانگی ارائه می دهد.
هر دو ماده بر اساس معیارهای عملکردی خاص همچون R-Value، مقاومت در برابر ضربه و سازگاری با پوشش های سطحی یا مواد روکش انتخاب می شوند. بعنوان مثال در توسعه پنل های عایق سازه ای۹ این فوم ها با سایر مواد مانند روکش های فلزی یا پلاستیک های تقویت شده ادغام شده و در نتیجه عایق بسیار کارآمد و بادوامی ایجاد می شود؛ انتخاب نوع پلی یورتان مورد استفاده و ضخامت پنل با توجه به ضریب انتقال حرارت کلی پنل عایق صورت می گیرد.
جمع بندی
خواص عایق حرارتی استثنایی فوم پلی یورتان، همراه با تطبیق پذیری و سازگاری، آن را به ماده ای برجسته برای کاربردهای لوازم خانگی تبدیل کرده است. رسانایی حرارتی پایین و توانایی در دستیابی به مقادیر زیاد R-Value با حداقل ضخامت، نه تنها باعث افزایش بهره وری انرژی می شود بلکه بطور قابل توجهی به شیوه های پایدار ساختمان سازی و طراحی کمک می کند.
مطالعه بیشتر: تبدیل ضایعات تشک به زیره کفش
- Conduction
- Convection
- Radiation
Thermal Conductivity
Thermal Resistance
- Thermal Transmittance
- Rigid Polyurethane Foam (RPUF)
- Polyisocyanurate (PIR) Foam
- Structural Insulation Panels (SIPs)
مراجع
- Applications for Polyurethane Insulations, PU-Europe Technical Catalogue
- National Insulation Association, Material Specifications’ Charts
- Mikelis Kirpluks, AUTEX Research Journal, 2014
- Dzhordzhio NAldzhiev, Building and Environment, 2020
بدون دیدگاه