اختصاصی بسپار/ پلی‌‌یورتان‌ها و عایق‌سازی یخچال‌ها
بسپار/ایران پلیمر بهینه‌‌سازی مصرف انرژی به خصوص در صنعت لوازم خانگی به یک موضوع جدی تبدیل شده است. در اثر کارکرد مداوم یخچال‌ها، انرژی الکتریکی زیادی هدر می‌رود. از این رو، می‌توان گفت که یخچال‌ها به ویژه یخچال‌های خانگی، یکی از لوازم برقی پرمصرف هستند. بنابراین، عایق‌سازی آن‌‌ها با استفاده از مواد مناسب و در ضخامت استاندارد، امری بسیار با‌اهمیت است. در این مقاله، به بحث در پیرامون پلی‌‌یورتان‌ها به عنوان عایق سامانههای یخچالی پرداخته خواهد شد.
اهمیت عایق‌سازی یخچال‌ها
محدود بودن منابع انرژی، بیانگر لزوم حفظ انرژی است. عایق‌سازی، سبب کمتر کار کردن و کاهش مصرف برق یخچال می‌شود. به جرأت می‌توان گفت که بیش از 14 درصد انرژی مصرفی در صنعت لوازم خانگی، در بخش یخچال‌های خانگی است. بنابراین، عایق‌سازی می‌تواند تاثیر چشم‌‌گیری بر میزان مصرف انرژی یا صرفه‌‌جویی در مصرف انرژی (تا بیش از 60 درصد) داشته باشد.
هنگام انتخاب عایق مناسب برای یخچال‌ها، عواملی از جمله خواص گرمایی، مکانیکی و هم‌‌چنین مسائل فرایندی (کنترل روش فراورش) در نظر گرفته می‌شوند. عایق‌هایی که در یخچال‌های صنعتی استفاده می‌شوند باید در هر دو محدوده دمایی حداقل و حداکثر، عملکردی مناسب داشته باشند. این بدان معنا است که مواد عایق، باید رسانندگی گرمایی کم و تراوایی حداقلی در برابر بخار آب داشته باشند؛ زیرا که با ورود آب به ساختار عایق، عملکرد عایقکنندگی افت می‌کند (به ازای هر یک درصد جذب رطوبت، کارایی عایق می‌تواند حتی تا 5/7 درصد کاهش یابد). هم‌‌چنین، نفوذ رطوبت موجب خوردگی و زنگ‌‌زدگی تابلوهای فلزی زیرین (بدنه کابین) می‌شود.
ارتباط بین رسانندگی گرمایی و عملکرد عایق‌سازی
خواص گرمایی به خصوص رسانندگی گرمایی برای تعیین توانایی عایقکنندگی ماده لازم است. برای بیان توانایی ماده در انتقال و یا رسانندگی گرما، از ضریب K (factor K) استفاده می‌شود. به طور کلی، موادی که ضریب K آن‌‌ها کمتر از W/(m.K) 06/0 باشد، به عنوان مواد عایق شناخته می‌شوند؛ در حقیقت، رسانندگی گرمایی میزان شارش گرما برحسب وات (W) در سطح مقطعی به ابعاد m2 1 و ضخامت 1 متر می‌باشد، زمانی که تغییرات دمایی بین دو سطح در مسیر جریان گرمایی معادل با 1 کلوین (K) باشد. در نتیجه، واحد اندازه‌‌گیری رسانندگی گرمایی (λ) برحسب W/(m.K) گزارش می‌شود که معادله آن در ادامه آورده شده است:
q=k×A×∆T/L
در رابطه فوق، q مقدار گرمای عبوری از سطح نمونه، k ضریب رسانندگی گرمایی، A مساحت سطح نمونه، L ضخامت نمونه و ΔT اختلاف دما است.
کارایی (عملکرد) یک عایق به کمک سه مورد زیر بیان می‌شود:
مقدار λ: توانایی عایق‌سازی ماده است و مقدار رسانندگی گرمایی را نشان می‌دهد. پس هر چه مقدار کمتری داشته باشد، عایق‌سازی بهتر خواهد بود.
مقدار R: مقاومت گرمایی ماده را نشان می‌دهد یا بیانگر مقاومت ماده در مقابل شارش گرما است. این عامل به ضخامت ماده استفاده شده بستگی دارد که هر چه بیشتر باشد، مقاومت گرمایی بیشتر خواهد بود و از این رو بیشتر باعث صرفه‌‌جویی در انرژی می‌شود.
مقدار U: مقدار گرمای عبوری یا سرعت انتقال گرما از داخل ماده است؛ این عامل به ضخامت ماده نیز بستگی دارد. هر چه مقدار U کمتر باشد، عایق‌سازی بهتر خواهد بود.
مقایسه عایق‌های رایج سامانه یخچالی
اسفنج‌های پلی‌‌استایرن رانشگری شده (XPS) و پلی‌‌یورتان، موادی هستند که به صورت متداولی به عنوان عایق در سامانههای یخچالی به‌‌کار رفته‌‌اند. اسفنج‌های پلی‌‌یورتانی در برابر تنش‌ها و ضربات فیزیکی نسبت به پلی‌‌استایرن مقاومت بیشتری دارند و در کاربردهایی که تحمل تنش و کنترل دما لازم است، بهتر عمل می‌کنند. علاوه بر آن، در گذر زمان، عملکرد عایق می‌تواند دستخوش تغییر شود و گاز درون سلول‌های اسفنج به بیرون نفوذ کند؛ این امر موجب کاهش کارایی عایقکنندگی می‌شود. در ادامه (شکل 1)، مقایسه اسفنج پلی‌‌یورتان با اسفنج پلی‌‌استایرن آورده شده که این بررسی در مدت زمان 12 سال صورت گرفته است. همان‌‌طور که در شکل 1 مشاهده می‌شود، علاوه بر آن‌‌که اسفنج پلی‌‌یورتانی مقاومت اولیه بسیار بهتری را نسبت به اسفنج پلی‌‌استایرن دارد، پس از گذشت زمان (12 سال) نیز اسفنج پلی‌‌یورتان هم‌‌چنان خواص عایقکنندگی خود را به خوبی حفظ کرده و تنها حدود 1/6 درصد از کارایی آن کاهش یافته است. در حالی که، اسفنج پلی‌‌استایرن افت عملکرد چشم‌‌گیری (21 درصد) را از خود نشان می‌دهد.
شکل 1: مقایسه روند مقاومت گرمایی اسفنج پلی‌‌یورتان و اسفنج پلی‌‌استایرن در مدت 12 سال.
از طرف دیگر، زمانی که ضخامت عایق بیشتر از مقدار مشخصی باشد، از دیدگاه اقتصادی، مقرون به صرفه نخواهد بود. اسفنج پلی‌‌یورتانی، حداقل رسانندگی گرمایی (W/m.K 025/0-021/0) را نسبت به دیگر مواد عایق در دسترس دارد؛ همین امر برای تولیدکنندگان این امکان را فراهم می‌آورد تا بتوانند ضخامت دیواره یخچال را کاهش دهند. علاوه بر آن، این اسفنج‌ها دارای وزنی سبک، استحکام مناسب و چسبندگی عالی به انواع سطوح از جمله فلز و پلاستیک هستند.
اسفنج‌های سخت پلی‌‌یورتان و عوامل موثر بر رسانندگی گرمایی آن‌‌ها
اسفنج‌های پلی‌‌یورتانی با توجه به ساختار سلولی، به دو دسته سلول باز و سلول بسته تقسیم‌‌بندی می‌شوند. منظور از اسفنج‌های پلی‌‌یورتانی سخت، موادی با درصد بالایی از سلول‌های بسته هستند که در حفظ انرژی نقش به سزایی را ایفا می‌کنند بدین معنی که می‌توانند به عنوان عایق گرمایی به‌‌کار روند.
یکی از اصلی‌‌ترین مواد تعیین‌‌کننده رسانندگی گرمایی اسفنج پلی‌‌یورتانی سخت، نوع عامل اسفنجش (گاز دمنده) است. از گذشته تا کنون، از عوامل اسفنجش کلروفلوئوروکربن‌ها (CFC) و هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها (HCFC) به دلیل آهنگ نفوذپذیری و رسانندگی گرمایی کم آن‌‌ها، هم‌‌چنین، فراهم آوردن شرایط فراورش ساده و دستیابی به ساختار سلولی بسته با اندازه سلولی کوچک، در مقادیر گسترده‌‌ای برای تولید این اسفنج‌ها استفاده شده است. با این وجود، از آن‌‌جایی که این عوامل اسفنجش تاثیر چشم‌‌گیری بر تخریب لایه ازون می‌گذارند و موجب گرمایش زمین می‌شوند، استفاده از آن‌‌ها با توجه به وضع مقررات زیست محیطی محدود شد. از این رو، مطالعات بر سر یافتن جایگزینی مناسب به جای آن‌‌ها با ویژگی سازگاری با محیط زیست آغاز گردید. در بین گزینه‌های مختلفی که وجود دارد، آب و هیدروکربن‌های پنتانی به عنوان جایگزین‌های اصلی مطرح شدند و آب با توجه به داشتن زیست سازگاری بیشتر با محیط، دسترسی ساده‌‌تر و در نتیجه قیمت پایین‌‌تر، به یک گزینه محبوب مبدل شد.
تاثیر گذر زمان بر میزان رسانندگی گرمایی اسفنج پلی‌‌یورتان
فرنوش رحیم نژاد، کارشناس محتوا شرکت ایمن پلیمر شیمی
[email protected]
(ادامه دارد …)
متن کامل این گفت و گو را در شماره 251 ماهنامه بسپار که در نیمه شهریور ماه 1402 منتشر شده است، می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
