کاربرد نانو ساختار‌ها در عایق حرارتی

عایق‌های حرارتی یکی از مهم‌ترین مواد مورد استفاده در صنعت و علم هستند، آنها با جلوگیری از هدر رفت و انتقال انرژی در کار کرد بهتر ابزار و وسایل مهندسی کاربرد دارند. این مواد نیاز به تولید بیشتر انرژی را از بین برده و در کاهش انتشار Co₂ در اتمسفر کرده زمین نقش بسزایی دارند. در این میان استفاده از مواد مدرن در عایق‌های حرارتی یکی از موضوعات مهم در علم می باشد. با توجه به این مهم که، نانو ساختار‌ها خواصی به ما ارائه می‌کند که در مواد عادی کمتر دیده می‌شود، می‌توان انتظار داشت که در زمینه عایق‌ها هم می‌توانند کاربرد خوبی داشته باشند.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.

1. مقدمه
2. اثر نادسن knudsen effect
3. ایروژل یا هواژل
4. نانوذرات سلیکای متخلخل
5. بحث و نتیجه‌گیری

1- مقدمه

عایق‌های حرارتی موادی هستند که برای جلوگیری یا کنترل انتقال حرارت و اتلاف آن در صنعت استفاده می‌شود. کاربرد عایق‌های حرارتی در زمینه‌های مختلف را می‌توان به صورت زیر بیان کرد. در صنعت هوا فضا این عایق‌ها در لباس فضانوردان، سفینه‌ها و کپسول‌های فضایی، به منظور حفظ نیروی انسانی و تجهیزات از اختلاف دما‌های زیاد خارج جو استفاده می‌شود. به گونه‌ای که لباس و دیواره فضاپیما باید بتوانند دمای منفی 270 درجه سانتی گرادی فضا را تحمل کنند. (1) و از طرفی جداره بیرونی کپسول‌های فضایی در اثر اصطکاک با هوای جو کره زمین به دمایی در حدود 1700 درجه سانتی گراد می‌رسند. در این دما حتی فولاد نیز به راحتی ذوب می‌شود. (2) در صنعت خودرو از عایق‌های حرارتی به منظور جلوگیری از انتقال حرارت از گازهای خروجی موتور به کابین و قطعات خودرو استفاده می‌شود، دمای گاز‌های خروجی به 600 درجه سانتی گراد می‌رسد. در صنایع از عایق‌های حرارتی برای کنترل انتقال حرارت و جلوگیری از هدر رفت انرژی و آسیب دیدن تجهیزات و مدار‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.
یکی از پرکاربردترین استفاده‌های عایق‌های حرارتی در صنعت ساختمان سازی است.  دیوار‌ها و سقف خانه‌های مدرن عموما دارای عایق حرارتی است، چرا که خانه‌های مسکونی یکی از مهم‌ترین محل‌های مصرف انرژی در جهان است.

نمودار درصد مصرف انرژی جهانی در زمینه‌های مختلف (3) (4)

بر اساس آمار جهانی مصارف خانگی رتبه سوم مصرف انرژی در جهان را به ترتیب بعد از حمل و نقل و صنعت را داراست.

نمودار میزان مصرف انرژی خانه‌ها در قسمت گرامایشی، سرمایشی، نورپردازی خانه، تهویه هوا و گرم کردن آب

از طرفی با توجه به شکل بالا حدود 70 درصد انرژی مصرفی در خانه‌ها مربوط به سامانه‌های گرمایش و سرمایش می‌شود. به همین خاطر بحث عایق‌های حرارتی در خانه‌ها بسیار مهم و جدی است.

که Q حرارت انتقال یافته، t زمان انتقال، k ضریب انتقال حرارت،A مساحت، Tدما و d ضخامت مورد نظر است. بر اساس فرمول انتقال حرارت مقدار گرمای انتقالی از یک جداره یا دیوار در واحد زمان به عوامل متعددی بستگی دارد. انتقال حرارت به طور مستقیم به بزرگی سطح‌، جنس دیواره و اختلاف دمای دو طرف مربوط است و با ضخامت دیواره رابطه عکس دارد.
با توجه به فرمول برای یک مساحت ثابت و اختلاف دمای معین هر چه ضخامت دیوار(مخرج کسر بزرگ) بیشتر باشد انتقال حرارت بیشتر می‌شود. یعنی اگر دیوار به اندازه کافی ضخیم باشد انتقال حرارت کاهش پیدا می‌کند و گویی مانند عایق حرارتی عمل می‌کند. اما در عمل ما نمی‌توانیم دیوار‌ه‌های ضخیم داشته باشیم. با پیشرفت تکنولوژی و لزوم احداث سازه‌های سبک‌تر ضخامت جداره‌ها چه در مصارف خانگی چه صنعتی کاهش یافته است. پس با توجه به این فرمول اگر ماده‌ای داشته باشیم که ضریب انتقال حرارت K کمی داشته باشد می‌توانیم دیوارها و جداره‌های نازک‌تر استفاده کنیم و حداکثر استفاده از فضا را داشته باشیم. در این صورت می‌توانیم وسایلی بسازیم که با حفظ کارکرد اصلی خود جای کمتری بگیرند. یخچال‌هایی را تصور کنید که با همین ابعاد فضای داخلی بزرگتری داشته باشند، فرها و آون‌های آشپزخانه‌ای را در نظر بگیرید که با همین ابعاد خارجی فضای داخلی بیشتری دراختیار کاربران قرار دهند.
از طرفی بحث هدر رفت انرژی فقط به انتقال انرژی به فضای بیرون محدود نمی‌شود، بلکه در مورد دیوار‌های ضخیم مقدار زیادی از انرژی صرف گرم کردن همین دیوارها و جداره‌ها می‌شود، که با نازک شدن دیوارها و استفاده از عایق‌های حرارتی می‌توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد.
برای فهم فیزیک عایق‌های حرارتی و ایجاد عایق‌های نوین نیاز به دانستن روش‌های انتقال حرارت داریم. حرارت از سه روش هدایت، همرفت و تابشی انجام می‌گیرد. هدایت در همه اجسام رخ می‌دهد و گرما از بخش گرم‌تر به سمت بخش سردتر می‌رود. عامل انتقال گرما در مواد نوسانات شبکه و به طور دقیق‌تر الکترون‌ها هستند، به همین خاطر در مواد رسانا که الکترون‌های ازاد دارند انتقال حرارت به راحتی انجام می‌شود.
سازکار همرفت به یک محیط سیال (مایع یا گاز) نیازمند است، همرفت درواقع به وسیله جنبش مولکول‌های سیال و انتقال این جنبش به ملکول‌های اطراف انتقال می‌افتد.
اما در انتقال حرارت تابشی نیاز به یک محیط مادی نیست، این روش از انتقال حرارت می‌تواند حتی در خلا هم رخ دهد. انتقال حرارت تابشی بیشتر در دماهای بالا موثر است و از همین طریق گرما از خورشید به کره زمین می‌رسد. در جداره‌های ساخمان انتقال حرارت به روش هدایت مهم‌ترین عامل هدر رفت انرژی است.
با توجه به مطالب فوق می‌توان کاربردهای اصلی عایق‌های حرارتی را به صورت زیر برشمرد

• کاهش مصرف انرژی
• افزایش طول عمر وسایل
• نگهداری مواد در مخازن ذخیره سازی در دمای مطلوب
• کاهش گاز‌های گلخانه‌ای
• ساخت وسایل کوچک‌تر و بهینه تر

در مقابل تعریف قابلیت انتقال حرارت یک ماده، مفهوم مقاومت حرارتی قرار دارد.
مقاومت حرارتی یک ویژگی فیزیکی ماده می باشد که نشان دهنده مقاومت یک ماده در مقابل انتقال حرارت در اثر اختلاف دما می باشد. (5)(6)

جدول مقایسه مقاومت حرارتی مواد (7)

در این جدول مقاومت گرمایی عایق‌های گرمایی مرسوم را با توجه به ضخامت‌شان می‌بینیم همان‌طور که قبلا بیان شد ضخامت نقش کلیدی را در عایق‌های حرارتی بازی می‌کند. اما برای مواد معمولی مثل پشم سنگ و شیشه باید ضخامت‌های بالایی داشته باشند که به مقادیر مورد قبول مقاومت گرمایی دست یابیم.

مقایسه ضخامت عایق‌های حرارتی با میزان یکسان مقاومت حرارتی

با توجه به شکل عایق‌های حرارتی سنتی برای دست‌یابی به مقدار مشخصی از مقاومت حرارتی باید ضخیم‌تر باشند اما با استفاده از فناوری‌های نوین می‌توان عایقی ساخت که با همان میزان مقاومت، ابعاد کمتری داشته باشند  پژوهشگران به وسیله پنل‌های عایق خلا توانسته‌اند به این مقدار مقاومت حرارتی برسند. حال می‌توان به کمک نانو ساختار‌ها عملکرد این پنل‌های خلا را بهبود بخشید. صفحات عایق خلا بسیار نازک و دارای مقاومت گرمایی بالا هستند، آنها می‌توانند 20 برابر از عایق‌های موجود بهتر عمل کنند. در این پنل‌ها از غشایی استفاده شده است که از ورود هوا به پنل جلوگیری کند. پنل‌ها از مواد سفت و سخت متخلخل مانند سلیس، هواژل ، پرلایت، یا الیاف شیشه برای نگه داری و حمایت از دیواره‌ها در برابر فشار اتمسفر ساخته می‌شود. وقتی فشار داخلی این پنل‌ها بعد از مدتی افزایش پیدا کند رسانندگی گرمایی آنها زیاد و به تبع آن مقاومت حرارتی آن کم می‌شود و بازدهی آن کاهش میابد. از طرفی افزایش فشار کپسول‌های هوا( ساختار متخلخل) در طول زمان امری طبیعی است اما می‌توان با کمک نانو تکنولوژی این مشکل را دور زد.

2- اثر نادسن knudsen effect

اثر نادسن می‌گوید رسانندگی گرمایی گاز‌ها با کاهش اندازه کپسول‌ها یا سوراخ‌های ماده متخلخل کاهش میابد. از طرفی برخورد مولکول‌های گاز با دیواره کپسول یک برخورد الاستیک است و مقدار بسیار کمی از انرژی به دیواره و ماده متخلخل انتقال میابد در حالی که برخورد‌های ما بین ملکول‌های گاز الاستیک نیست و گرما تولید می‌کند. پس هر چه اندازه کپسول‌ها یا سوراخ‌های ماده متخلخل کوچکتر باشد اختمال برخورد با دیواره‌ها بیشتر شده و انتقال حرارت کاهش میابد.(8)
لذا همه این موارد مهر تاییدی بر استفاده از نانو ساختارها در صفحات عایق خلا معمولی است.
نمودار مقایسه مواد متخلخل با اندازه حفره‌های مختلف(10)

با توجه به شکل بالا هر چه فشار هوا افزایش پیدا کند رسانندگی گرمایی آن نیز افزایش پیدا می‌کند اما این نمودار مفهوم دیگری را نیز به نمایش می‌گذارد، اثر اندازه حفره‌های ماده متخلخل در رسانندگی گرمایی. با توجه به شکل هر چه اندازه حفره‌ها و کپسول‌های هوا کاهش پیدا کند رسانندگی گرمایی آن نیز کاهش پیدا می‌کند و برای کاربرد‌های عایق حرارتی مناسب‌تر می شوند.

3- ایروژل یا هواژل

هواژل‌ها دسته‌ای از مواد هستند که به صورت مصنوعی ساخته شده و دارای ساختاری فوق سبک و متخلخل هستند.برای مطالعه بیشتر در این زمینه به مقاله معرفی آیروژل‌ها بر روی سایت آموزش فناوری نانو مراجعه کنید. این ساختار مانند ژل می‌باشد و بدون این که ساختار ژل بهم بریزد گاز در روزنه‌های آن جایگزین شده است(9). اندازه حفره‌های این ساختار متخلخل به 20 نانومتر می‌رسند و رسانایی گرمای آنها بسیار پایین در حدود 0.004 w/mK در فشار 50 میلی بار است. آیروژل‌ها از  نظرشیمیایی غیرفعال و غیر قابل اشتعال هستند.

4– نانوذرات سلیکای متخلخل

در این عایق نانو ذرات سیلیکای متخلخل نقش کپسول‌های گاز را بازی می‌کنند. رسانایی گرمای آنها بسیار پایین در حدود 0.004 w/mK در فشار 50 میلی بار است.

تصویر پکینگ نانو حفره‌ها

واضح است که در این مواد رسانندگی گرمایی به پارامترهایی مثل ضریب فشردگی نانوذرات، شعاع حفره‌ها‌، قطر دیواره حفره‌ها و خواص فیزیکی مواد استفاده شده در حفره ها بستگی دارد.
روش ساخت نانو کره‌های SiO₂

یکی از روش‌های ساخت نانو ساختار‌های سیلیکای متخلخل به این صورت است که ابتدا یک ماده کروی شکل را به عنوان الگو ایجاد کرده سپس آن نانو ذرات را به وسیله SiO₂ پوشش داده و سپس ماده زیرین و بستر را در دمای 400 تا 600 درجه سانتی گراد تبخیر می‌کنیم. در نهایت نانو کره‌های توخالی SiO₂ باقی می ماند.
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوذرات حفره‌ای SiO₂

نقطه مثبت این عایق‌های نانو نسبت به ساختار صفحه‌ای خلا این است که این نانو ساختار‌ها در گذر زمان خواص عایق حرارتی آنها کاهش پیدا نمی‌کند و پایدار‌تر و نسبت به عایق‌های عادی نازک‌تر هستند.

5- بحث و نتیجه‌گیری

عایق‌های حرارتی در صنعت و ساختمان‌ها کاربرد مهمی دارند آنها از انتشار بیشتر گاز‌های گلخانه‌ای جلوگیری می‌کنند و حتی می‌توان به کمک آنها بحران‌های انرژی را پشت سر گذاشت. عایق‌ها باعث می‌شوند عمر دستگاه‌ها افزایش و اندازه آنها کاهش یابد. با توجه به روند کوچکتر شدن وسایل در زندگی مدرن، نیاز به عایق‌های نازک‌تر با مقاومت حرارتی بالا بیش از پیش حس می‌شود. لذا مواد نوظهور مانند نانو ساختارها می‌توانند به ما در این زمینه کمک کنند. به طور مثال نانوساختار‌های سلیکای متخلخل مانند حفره‌های توخالی نانومتری عمل می‌کنند که هم مقاومت حرارتی آنها ده‌ها برابر عایق‌های عادی است و هم بسیار نازک‌تر از عایق‌هایی مانند پشم شیشه و پشم سنگ هستند. از طرفی عمر طولانی‌تری نسبت به عایق‌های صفحه‌ای خلا دارند.

منابـــع و مراجــــع

۱ – Chuss, D. T. (2008). Cosmic background explorer, NASA goddard space flight center.

۲ – Jenkins, D. R. (2001). Space shuttle: the history of the National Space Transportation System: the first 100 missions. DR Jenkins.

۳ – Laustsen, J. (2008). Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings. IEA Information Paper.

۴ – Nejat, P., Jomehzadeh, F., Taheri, M. M., Gohari, M., & Majid, M. Z. A. (2015). A global review of energy consumption, CO2 emissionspolicy in the residential sector (with an overview of the top ten CO2 emitting countries). Renewablesustainable energy reviews, 43, 843-862.

۵ – Lenz, M., Striedl, G., & Fröhler, U. (2000). Thermal Resistance, TheoryPractice. Infineon Technologies AG, 1, 1.

۶ – Ali, A., Khan, S. A., Dildar, M. A., Ali, H., & Ullah, N. (2018). Design & thermal modeling of solar panel module with embedded reconfigurable Air-Coil for micro-satellites. Plos one, 13(7), e0199145.

۷ – 7- Ibrahim, S. H., Sia, W. K., Baharun, A., Nawi, M. N. M., & Affandi, R. (2014). Thermal performance of oil palm fibrepaper pulp as the insulation materials. Journal of Civil Engineering, ScienceTechnology, 5(2), 22-28.

۸ – Welty, J., Rorrer, G. L., & Foster, D. G. (2020). Fundamentals of momentum, heat,mass transfer. John Wiley & Sons.

۹ – McNaught, A. D., & Wilkinson, A. (1997). Compendium of chemical terminology. IUPAC recommendations.

۱۰ – Datas, A. (Ed.). (2020). Ultra-high temperature thermal energy storage, transfercon. Woodhead Publishing.