چکیده

امروزه مبحث انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی در تمامی زمینه‌ها حتی در خانه‌ها یکی از مهمترین دغدغه‌های بشر است. مقدار زیادی انرژی از طریق مصارف خانگی در روزهای سرد زمستان هدر می‌رود. عایق‌های از جنس پلی یورتان قابلیت حفظ انرژی در طول زمستان و تابستان و در مقابل گرما و سرما را دارا می‌باشند.

خطرات ناشی از آتش‌سوزی و همچنین خطرات حاصل از گازهای سمی مثل مونواکسیدکربن و دود یکی از معایب استفاده از مواد پلیمری و پلاستیکی است تاخیر اشتعال در پلی‌یورتان بوسیله افزودن و یا قرار دادن یک عنصر خاص هالوژنه در ساختار آن، ایجاد می‌شود. استفاده از مواد هالوژنه علاوه بر داشتن مزایا دارای معایبی است از قبیل اینکه از لحاظ زیست محیطی میتواند مخاطره انگیز باشد ضمن اینکه برای تأثیر گذاری به مقدار بالایی از آن در ترکیب نیاز است، (در حدود 60%)، که خود میتواند باعث افت خواص مکانیکی شود.

از این رو استفاده از نانورس به دلیل کاهش اندازه از سایز میکرو به سایز نانو میزان سطح تماس ذرات را بالا می برد. افزایش سطح تماس منجر به کاهش مقدار ماده مورد نیاز جهت دستیابی به خواص مطلوب می‌شود. حضور مواد با سطح تماس زیاد می تواند باعث تغییر در مسیر تخریب شده و در نتیجه بر روی میزان رهایش حرارت پلیمر اثر بگذارد. در پایان، استفاده از مواد با اندازه نانو می تواند باعث تشکیل یک لایه شود که باعث جلوگیری از جابجایی مواد ناپایدار در هنگام تخریب شده و موجب افزایش ذغال تولیدی شود. استفاده همزمان از نانورس و تأخیردهنده اشتعال خود باعث ایجاد اثر برهم‌افزایی شده و مقاومت در برابر اشتعال افزایش خواهد یافت.

در پروژه حاضر ابتدا نمونه‌های کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی با بهره گرفتن از یک پلی ال و ایزوسیانات به همراه نانو خاک‌رس اصلاح شده و تأخیر دهنده اشتعال اوره کندانس؛ به عنوان یک تآخیر دهنده اشتعال جدید و سازگار با پلی یورتان و خاک رس؛ تهیه گردیده و سپس رفتار حرارتی ایجاد شده و روند تأثیر دو افزودنی کلوزیت B30 و اوره کندانس بر روی خواص اشتعال‌پذیری، مقاومت و پایداری حرارتی بر اساس آزمون‌های حرارتی TGA و DSC مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت از نتایج بدست آمده از آنالیزهای فوق به ترتیب پارامترهای سینتیکی و ظرفیت حرارتی ویژه و گرمای حاصله از تجزیه بدست آمده است. همینطور در مدل ارائه شده با حل همزمان سه معادله پیوستگی و سینتیکی و انتقال حرارت به همراه شرایط اولیه و مرزی، روند تغییرات جرم و دیگر خواص حرارتی مرتبط با دما پیش‌بینی.شده و با نتایج عملی بدست آمده؛ مقایسه گردیده است.

کلید واژه: مدلسازی، پاسخ حرارتی، مدل سینتیکی، نانوکامپوزیت، پلی‌یورتا

فهرست مطالب        

فصل اول.. 1

پیش‌گفتار. 1

2مروری بر تحقیق‌های انجام شده    4

2-1کامپوزیت های تأخیردهنده اشتعال.. 5

2-1-1  مقدمه. 5

2-1-2تأخیر دهنده‌های اشتعال برای کامپوزیت‌ها 9

2-1-3پرکننده تأخیر دهنده اشتعال متورم شونده. 13

2-1-4پلیمرهای تاخیر دهنده اشتعال قابل استفاده در کامپوزیت‌ها 14

2-1-5افزایش مقاومت اشتعال به وسیله پلیمریزاسیون.. 14

2-1-6الیاف تأخیر دهنده اشتعال برای کامپوزیت‌ها 23

2-1-7پوشش های سطحی محافظ اشتعالی.. 23

2-2خواص اشتعال نانو کامپوزیت های پلیمری.. 25

2-2-1  مقدمه. 25

2-2-2توصیف و تحلیل تشکیل نانوکامپوزیت… 28

2-2-3بررسی تأخیر اشتعال.. 31

2-2-4مکانیسم های تأخیر اشتعال در نانو کامپوزیت ها 32

2-3       پلی‌یورتان.. 33

2-3-1  مقدمه. 33

2-3-2اشکال مختلف پلی یورتان.. 37

2-3-3كاربردهای پلی‌یورتان‌ها 37

2-3-4فوم‌های پلی یورتان.. 42

2-3-5دانسیته فوم‌ها 44

2-3-6روش های متداول استفاده از فوم پلی یورتان      45

2-4مدلسازی پاسخ حرارتی کامپوزیت در شعله. 46

2-4-1  مقدمه. 46

2-4-2پاسخ کامپوزیت ها در شعله. 50

2-4-3مدلسازی هدایت حرارتی در کامپوزیت‌ها 56

2-4-4مدلسازی پاسخ حرارتی كامپوزیت‌ها 61

2-4-5مدلسازی خواص حرارتی كامپوزیت‌ها 79

3کارهای تجربی و مدلسازی.. 87

3-1مقدمه    87

3-2کارهای آزمایشگاهی.. 90

3-2-1مواد مصرفی.. 90

3-2-2روش تهیه نمونه‌ها 92

3-2-3آزمون‌ها و دستگاه‌ها 95

3-3مدلسازی ریاضی پاسخ حرارتی.. 95

3-4تعیین پارامترهای سینتیکی.. 99

3-4-1 روش Friedman. 101

4تجزیه و تحلیل نتایج.. 127

4-1مکانیسم تجزیه. 127

4-2توضیح مراحل فیزیکی نمودار. 130

4-3مقایسه نتایج مدلسازی‌ها با نتایج آزمایشگاهی.. 139

5نتیجه‌گیری و پیشنهادات.. 147

5-1نتایج کلی.. 147

5-2پیشنهادات.. 148

6مراجع 150

پیش‌گفتار                                                              

مدل به نوعی ساده کردن واقعیت است و می‌تواند چیزهای واقعی یا ذهنی از یک حوزه خاص را ارائه می‌کند. یک مدل خوب شامل عناصر مؤثر و حذف عناصر غیر مؤثر که ربط مستقیم در فرایند نداشته و یا اینکه پیچیدگی مدل را افزایش می‌دهد، است. هر سیستم ممکن است از جنبه‌های مختلف توسط مدل‌های مختلف مورد بررسی قرار بگیرد.

بطور کلی مدلسازی باعث می‌شود که درک بهتری از رفتار سامانه حاصل شود، مدل امکان مشخص کردن ساختار و رفتار سیستم را حتی قبل از ساخت را خواهد داد. در نتیجه امکان برطرف کردن معایب سیستم حتی قبل از تولید را به ما خواهد داد؛ که بالطبع خود موجب صرفه‌جویی زیاد در هزینه و زمان خواهد شد. با درک رفتار سیستم امکان کنترل سیستم و روند آن را داشته و با درک بهتر سیستم، مدیریت ریسک سیستم و استناد به روش‌ها و تغییرات اعمال شده بر سیستم مستند خواهد شد. در واقع می‌توان گفت مدل خلاصه‌ای از واقعیت را نشان می‌دهد. به بیان دیگر نمایش کلیات و یا فیزیک یک شیء یا سیستم و سامانه را از یک نقطه نظر و نگاه خاص را مدل می‌نامند.

مدلسازی؛ فرایند ایجاد و انتخاب مدل‌ ها را مدل‌سازی نامیده اند. مدل‌ها ، انواع گوناگون داشته (مثل فیزیکی، ریاضی، عددی، نرم‌افزاری، و …) و کاربردهای حیاتی متنوّع و فراوانی در همه زمینه‌های علوم و فن‌آوری دارند. تبدیل یک مفهوم فیزیکی، به زبان ریاضی، نوعی از مدل‌سازی است.که هرچه مفاهیم زبان ریاضی استفاده شده در آن ساده‌تر باشند، مدل‌سازی ارزش بیشتری دارد.

در مدل‌سازی ابتدا اجزای محیط واقعی انتخاب شده و متناسب با هدف مورد نظر از مدل‌سازی خصوصیاتی از هریک از اجزای واقعی انتزاع می‌شود، یعنی به ازای هزیک از اجزای محیط واقعی یک موجودیت مصنوعی ساخته می‌شود و با برقراری ارتباطی مشابه با ارتباط اجزای واقعی، در میان موجودیت‌های مصنوعی، محیط واقعی مدل می‌شود. پس می‌توان گفت كه هدف از مدل‌سازی دو چیز می‌باشد:

شناخت[1]

تنها یک جنبه از مدل‌سازی را بیان می‌كند و آن جنبه شناخت می‌باشد. یعنی در مدلسازی‌های مشابه مدل‌سازی فوق‌الذكر، هدف از مدل‌سازی تنها شناخت محیط مورد مدل می‌باشد.

تبیین[2]

یک جنبه دیگر از مدل‌سازی، تبیین می‌باشد. یعنی گاه برای معرفی و ارائه خصوصیات یک موجودیت واقعی یک مدل از آن ارائه می‌شود. نقشه جغرافیایی مثال خوبی است كه این جنبه از مدل‌سازی را مورد نظر دارد.

بر اساس تعریف مسئله، مدل‌سازی یكی یا هردو هدف را در نظر می‌گیرد.

حال به این سوال بر می‌خوریم که تفاوت مدلسازی با شبیه‌سازی چیست؟

پاسخ این است که مدل سازی گام اول شبیه سازی است. در شبیه سازی رفتار یک سیستم را بر اساس یک سناریو میخواهیم به دست بیاوریم که این رفتار را بر اساس روابط ریاضی یا نمیتوان بدست آورد یا بسیار پیچیده است.

بر اساس سناریوی تعریف شده رفتار مدل سازی شده و بعد مدل اعتبارسنجی[3] شده و سپس رفتار سیستم بر اساس سناریو پیش‌بینی و شبیه‌سازی می گردد.

آنچه در این اثر به آن پرداخته شده؛ بترتیب فصول؛ عبارتند از: کامپوزیت‌های تأخیردهنده اشتعال، خواص اشتعال نانوکاپوزیت‌های پلیمری، پلی‌یورتان، مدلسازی پاسخ حرارتی کامپوزیت در شعله، و نهایتاً بخش اصلی که در آن ابتدا به تهیه و بررسی نانوکامپوزیت پلی‌یورتان/نانورس/اوره کندانس پرداخته و سپس به بحث مدلسازی پاسخ حرارتی نمونه و برررسی رفتار انتقال حرارت تک-بعدی و ارتباط تغییرات دما و جرم در کامپوزیت پلیمری ساخته شده از پلی‌یورتان/نانورس/اوره کندانس خواهیم پرداخت.

فصل دوم

2         مروری بر تحقیق‌های انجام شده

2-1   کامپوزیت های تأخیردهنده اشتعال

2-1-1مقدمه

در این بخش یک نگاه کلی به روش‌های افزودن و بهینه کردن خواص تأخیر اشتعال در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف خواهیم داشت. روش های مورد استفاده فوق العاده متنوع و متفاوت می باشند. افزودنی های ساده آلیاژ شونده با ماتریس پلیمری یا پوشش های مقاوم در حرارت[5]، روش‌های شیمیایی اصلاح ماتریس کامپوزیت‌هایی که سطح آنها با گرما به instumescence تبدیل می‌شود. همچنین روش هایی برای بهبود پایداری حرارتی و مقاومت در برابر آتش الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت نیز مشخص شده است. روش معمول برای کاهش اشتعال پذیری کامپوزیت، افزودن پرکننده داخلی (مثل تالک، سیلیکا) یا پرکننده فعال حرارتی (مثل اکسیدهای هیدراته[6]) به ماتریس پلیمری است. انواع پرکننده ها مکانیسم تأخیر اشتعال آنها و راندمان آنها زمانی که در مواد کامپوزیتی استفاده می شود شرح داده می شود بعد از آن به اصلاح ساختار شیمیایی پلیمیرهای آلی جهت بهبود مقاومت اشتعال پذیری با تکیه بر مکانیسم های تأخیر اشتعال و خواص برهمکنش شعله در پلیمرهای فسفره، کلره و برمه توضیح داده خواهد شد. برخی روش های گفته شده جهت تأخیر اشتعال صدها سال جهت کاهش اشتعال در پارچه لباس و چوب و اخیراً در پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری کاربرد دارد. دیگر روش‌ها در 10 الی 50 سال گذشته ارائه شده است. چندین روش جدید نیز برای کاهش اشتعال‌پذیری در حال تکمیل و بهبود است و چشم انداز بزرگی جهت تأخیر اشتعال کامپوزیت ها را پیشنهاد می کنند. دیگر روش های موجود عبارتند از پلیمریزاسیون پیوندی اجزای تأخیردهنده اشتعال به پلیمر آلی و پلیمرهای با ساختار غیر معدنی غیر قابل اشتعال نیز از این روش‌ها است. چرخه اساسی اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری به صورت شماتیک در شکل ‏2‑1 نشان داده شده است.

شکل ‏2‑1: چرخه اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری در آتش.علامت ضربدر مشخص کننده مراحلی از چرخه است که تاخیر دهنده اشتعال چرخه را بر هم میزند[1]

دمای حاصل از تجزیه وابسته به طبیعت شیمیایی پلیمر و اتمسفر آتش است اما به صورت عمده این دما در محدوده 500-300 درجه سانتی گراد برای بیشتر پلیمرها و الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت ها می باشد. همانطور که گفته شده گازهای حاصل از تجزیه از درون کامپوزیت به شعله جریان می یابد. در اینجا مواد ناپایدار قابل اشتعال با اکسیژن واکنش می دهد و به مقدار زیاد رادیکال فعال OH و H را تولید می کند. این رادیکال ها نقش مهمی در واکنش های زنجیره ای منجر به تجزیه و سوختن زنجیره ای پلیمرها و دیگر سوخت های آلی بازی می کند. واکنش های پیرولیز در شعله به صورت ساده به وسیله نهاد O2-H2 توصیف می شود:

واکنش گرمازای اصلی که بیشترین انرژی گرمایی در شعله را تولید می کند عبارتست از:

رادیکال های H تولید شده در واکنش(‏2‑2) و (‏2‑3) به واکنش(‏2‑1) برگردانده می شود[7] بنابراین واکنش اشتعال باعث یک فرایند خود انتشار متوالی یا واکنش زنجیره ای شده که تا زمانی که اکسیژن مورد نیاز لازم موجود باشد ادامه خواهد یافت. گرمای تولید شده دمای ناحیه اشتعال را بالا می برد و این عامل باعث افزایش شتاب نرخ تجزیه کامپوزیت خواهد شد. بسیاری از پلیمرها مثل پلی استرها، ونیل استرها و اپوکس ها با مقدار زیادی گازهای قابل اشتعال را آن می کنند که خود عاملی افزایش مقدار سوخت شعله خواهد شد[8]. در این مواد تا زمان تخریب کامل ماتریس پلیمر اشتعال ادامه می یابد. اشتعال پذیری مواد کامپوزیتی به وسیله توقف یا کاهش واکنش های شاخه ای شدن زنجیردر مراحل(‏2‑1) و (‏2‑2) در چرخه احتراق کاهش می یابد. تأخیر دهنده های اشتعال پلیمرها به سه روش چرخه احتراق را قطع می کنند:

1- اصلاح فرایند تخریب حرارتی برای کاهش میزان و یا انواع گازهای قابل اشتعال

2- تولید گازهای تجزیه که شعله و آتش را سریعاً سرد می کند[9] . این عمل به وسیله حذف رادیکال های H و OH انجام می گیرد.

3- کاهش دمای مواد به وسیله اصلاح خصوصیات هدایت حرارتی و یا گرمای ویژه (این روش می تواند به تنهایی یا با دیگر روش ها به کار برده شود.)

به صورت کلی اغلب پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال به دو دسته فاز متراکم شونده و فاز گازی فعال تقسیم می شوند. این تقسیم بندی بستگی به این دارد که آیا در آنها مکانیسم تجزیه پلیمر مختل می شود یا احتراق در شعله. زمانی پلیمر در دسته فاز متراکم قرار می گیرد که در حالت جامد یا مذاب باشند. دسته فاز متراکم خود شامل چندین مکانیسم برای تأخیر اشتعال است که عبارتند از:

1- رقیق کردن مقدار ماده آلی قابل اشتعال به وسیله افزودن ذرات پرکننده داخلی.

2- کاهش دمای کامپوزیت به وسیله افزودن پر کننده هایی که به عنوان جاذب حرارتی[10] عمل می کنند.

3- کاهش دما به وسیله افزودن پر کننده هایی که به صورت گرماگیر تجزیه شده و محصولاتی مانند آب یا دیگر محصولات غیر قابل اشتعال با ظرفیت حرارتی ویژه بالا تولید می کنند.

4- کاهش میزان نرخ رهایش حرارت به وسیله بکارگیری پلیمرهایی که توسط واکنش‌های گرماگیر تجزیه می‌شوند.

5- افزایش آروماتیسیته[11] ماتریس پلیمری به منظور اینکه به یک سطح و لایه عایق فضای کربنی[12] تجزیه شود که هدایت حرارتی درون کامپوزیت را کاهش می دهد و انتشار گازهای قابل اشتعال را کاهش دهد.

کامپوزیت های پلیمری که جزء تأخیر دهنده های اشتعال از نوع فاز گاز[13] می باشند، به وسیله ممانعت از واکنش اشتعال عمل می‌کنند. در نتیجه هم کاهش انتشار شعله و هم بازگشت مقدار حرارت از سوی شعله به ماده را در این نوع مشاهده می‌شود. مکانیسم‌های موجود در نوع فاز گاز که به صورت گسترده جهت تأخیر اشتعال به کار گرفته شده است معمولاً رهایش رادیکال های بر پایه برومین، کلرین و فسفره را خواهند داشت که باعث اختتام واکنش های اشتعال گرمازا از طریق حذف رادیکال های H و OH از شعله خواهند شد. یکی دیگر از مکانیزم های معمول این دسته رهایش بخارات غیر قابل اشتعال برای رقیق کردن غلظت گازهای H و OH در شعله است. همچنین باعث کاهش دما نیز