بهبود خواص گرمایی و فداشوندگی عایق‌های فراسبک کامپوزیتی سیلیکون-چوب‌پنبه با استفاده از ایروژل نووالاک

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 114-14115

چکیده

عایق‌های گرمایی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش اتلاف گرمایی در خور توجه هستند. استفاده از عایق‌های سبک سبب کاهش وزن و بهبود کارایی محصول نهایی می‌شود. یکی از رویکردها برای دست‌یابی به عایق سبک، ساخت نانوکامپوزیت‌هایی با چگالی کم و خواص عایقی مناسب است. چوب‌پنبه، ماده‌ای سلولوزی با سلول‌های میکرونی است که کاربرد گسترده‌ای در عایق‌های گرمایی سبک دارد. به دلیل وجود ساختار متخلخل در چوب‌پنبه، این ماده به‌عنوان یکی از بهترین عایق‌های گرمایی استفاده می‌شود که چگالی و رسانندگی گرمایی کمی دارد. تلاش‌های بسیاری برای کاهش هرچند ناچیز رسانندگی گرمایی آن انجام شده است. در این پژوهش، برای بهبود عملکرد گرمایی و فداشوندگی کامپوزیت سیلیکون-چوب‌پنبه، از ایروژل نووالاک با ساختار متخلخل سلول‌باز نانومتری و چگالی، رسانندگی گرمایی و نفوذ گرمایی بسیار کم استفاده شده است. وجود ایروژل نووالاک در حفره‌های میکرونی چوب‌پنبه و پرکردن آن‌ها، سبب افزایش نسبی چگالی کامپوزیت، حذف انتقال گرمای جابه‌جایی هوا در سلول‌های چوب‌پنبه، کاهش چشمگیر رسانندگی گرمایی و نفوذ گرمایی چوب‌پنبه می‌شود. رسانندگی گرمایی بسیار کم ‌ایروژل، دست‌یابی به کامپوزیتی با رسانندگی گرمایی و چگالی کم را ممکن ساخته است، به‌طوری که وجود ایروژل در کامپوزیت سیلیکون-چوب‌پنبه سبب کاهش %39 رسانندگی گرمایی و %45 نفوذ گرمایی کامپوزیت نسبت به کامپوزیت بدون ایروژل شده است. با وجود ایروژل، پایداری گرمایی و مقاومت گرمایی کامپوزیت افزایش و پایداری زغال تشکیل شده بهبود یافته است. همچنین، وجود ایروژل در حفره‌های چوب‌پنبه و اعمال پوشش نهایی رزول-گرافن اکسید روی سطح نمونه، سبب بهبود رفتار فداشوندگی کامپوزیت سیلیکون-چوب‌پنبه-ایروژل و کاهش %55 دمای پشت کامپوزیت فداشونده نسبت به نمونه بدون ایروژل شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improvement in Ablation and Thermal Properties of Ultra-lightweight Silicone/Cork Composites Insulator Using Novolac Aerogel

نویسندگان [English]

  • Majid Haghir Madadi
  • Ahmadreza Bahramian
  • Hamidreza Hadizade Raeisi
Department of Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Thermal insulating materials are essential in optimization of energy consumption and to reduce heat and energy loss. Lightweight thermal insulator materials can reduce weight/density and improve the performance of final product. One of the ways to approach lightweight thermal insulator is to develop porous polymeric nanocomposites with low density and good thermal insulation properties. Cork is a cellulosic material with microcells that are widely used in lightweight thermal insulating applications. Porous structure in cellulosic cork allows it to be chosen as an adequate thermal insulator, especially in aerospace applications. Since cork has low density and very low thermal conductivity, many research works are conducted to reduce its thermal conductivity and improving its thermal stability.
Methods: In order to improve the thermal insulation performance and ablation of silicone/cork composite, a novolac aerogel nanostructure was used. Novolac aerogel had a nanoporous structure with very low density, thermal conductivity and thermal diffusivity. The presence of novolac aerogel in the microcell structure of cock and filling its porous spaces led to higher density of the cork, eliminated the air thermal convection process in its microcells, and it therefore decreased the thermal conductivity and thermal diffusivity of the composites, significantly.
Finding: The mechanism of heat transfer elimination of novolac aerogel by convection could decrease the thermal conductivity and thermal diffusivity of silicone/cork composites by 39% and 45%, respectively, due to pore size reduction. Also, the aerogel could increase thermal stability and thermal resistance and the residual char with adequate thermal stability. Moreover, a resole/graphene oxide coating layer on the composites surface could significantly improve the composites thermal ablation. Under these conditions, the back surface temperature of composite in the presence of aerogel nanostructure decreased by 55%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultra-lightweight insulator
  • cork
  • ablative insulator
  • thermal conductivity
  • novolac aerogel

Castro O., Silva J., Devezas T., Silva A., and Gil L., Cork Agglomerates as an Ideal Core Material in Lightweight Structure, Mater. Desig., 31, 425-432, 2010.
Pintor A.M.A., Ferreora C.I.A., Pereire J.C., Correia P., Silva S.P., Vilar J.P., Betelho C.M.S., and  Boaventura R.A.R., Use of Cork Powder and Granules for the Adsorption of Pollutants: A Review, Wate. Rea., 46, 2310-2318, 2012.
Fernandes E.M., Correlo V.M., Mano J.F., and Reis R.L., Polyethylene-based Cork-Polymer Composites: Processing Parameters and Properties, Compos. Part B-Eng., 66, 210-223, 2014.
Silva S.P., Sabino M.A., Fernandes E.M., Correlo V.M., Boesel L.F., and Reis R.I., Cork: Properties, Capabilities and Application, Int. Mater. Rev., 50, 345-365, 2005.
Gil L., New Cork-Based Materials and Application, Materials, 8, 625-637, 2015.
Sen A., Miranda I., and Pereira H., Temperature-Induced Structure and Chemical in Cork from Quercus Cerris, In. Crop. Prod., 37, 508-513, 2012.
Silva J.M., Devezas T., Silva A., Gil L., Nunes C., and Franco N., Exploring the Use of Cork Based Composites for Aerospace Application, Mater. Sci., 636, 260-263, 2010.
Silva J.M., Gamboa P.V., Nunes C., Paulo L., and Franco N., Cork: Is It a Good Material for Aerospace Structure, 52nd AIAA/ASME/AHS, Structural Dynamics and Materials Conference, Denver, Colorado, 2159, 4-7 April, 2011.
Fernandes E.M., Correlo V.M., Chagas J.A.M., Mano J.F., and Reis R.L., Properties of New Cork-Polymer Composites: Advantages and Drawbacks as Compared with Commercially Available Fiberboard Materials, Compos. Struct., 93, 3120-3129, 2011.
Silva J.M., Devezas T., Silva A., Gil L., Nunes C., and Franco N., Exploring the Use of Cork Based Composites for Aerospace Application, Mater. Sci., 636, 260-263, 2010.
Barbosa A.Q., Silva L.F.M., Abenojar J., Real J.C., Paiva R.M.M., and Ochsner A., Kinetic Analysis and Characterization of an Epoxy/Cork Adhesive, Thermoch. Acta, 604, 52-60, 2015.
Bachar M., Azzouz L., Rabehi M., and Mezghiche B., Characterization of Stabilized Earth Concrete and the Effect of Incorporation of Aggregates of Cork on Its Thermo-Mechanical Properties: Experimental Study and Modeling, Construct. Build. Mater., 74, 259-267, 2015.
Silva J.J.C., Pereira J.P.B., and Sirgado J., Improving Rammed Earth Wall Thermal Performance Whit Added Expanded Granulated Cork, Arch. Sci. Rev., 314-323, 58, 2015.
Gul J., Saleemi A.R., Mirza S., Feroze S., and Mansha M., Thermal and Mechanical Characteristics of Cork Filled Insulation for Aerospace Application, Plast. Rubber Compos., 39, 28-32, 2010.
Gul J. and Mirza S., Effect of Cork Loading on Mechanical and Thermal Properties of Silica-Ehtylene-Propylen-Diene Monomer Composites, Eng. Mater., 510, 277-283, 2012.
Qarebagh Noparvar A., Roghani Mamagani H., and Salami Kalajahi M., Organic/Inorganic Nanohybrids of Novolac Phenolic Resin and Carbon: High Carbon Yields by Esing Carbon Nanotube Aerogel and Resin Incorporation into Aerogel Network, Microp. Mesop. Mater., 224, 58-67, 2016.
Biener J., Stadermann M., Suss M., Worsley M.A., Biener M.M., Rose K.A., and Baumann T.F., Advanced Carbon Aerogels for Energy Application, Energ. Environ. Sci., 4, 656-667, 2011.
Cuce E., Cuce P.M., Wood C.J., and Riffat S.B., Toward Aerogel Based Thermal Superinsulation in Buildings: A Comprehensive Review, Renew. Sustain. Energ. Rev., 34, 273-299, 2014.
Thapliyal P.C. and Singh K., Aerogel as Promising Thermal Insulating Material: An Overview, Materials, 2014, DOI: org/10.1155/2014/127049.
Julio M.F., Soares A., Ilharco L.M., Colen I.F., and Brito J., Aerogel-Based Renders with Lightweight Aggregates: Correlation Between Molecular/Pore Structure and Performance, Construct. Build. Mater., 124, 485-495, 2016.
Ximenes S., Silva A., Soares A., Colen I.F., and Brito J., Parametric Analysis to Study the Influence of Aerogel-based Renders Components on Thermal and Mechanical Performance, Materials, 9, 336-355, 2016.
Naseri I., Kazemi A., Bahramian A.R., and Kashani M.R., Polymerization of Phenol Formaldehyde in Solvent Saturated Vapor and Study on the Microstructure and Mechanical Properties of Novolac Aerogel Product, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 427-435, 2013.
Kazemi A., Naseri I., and Bahramian A.R., Thermal Protection Performance of Carbon Aerogels Filled With Magnesium Chloride Hexahydrate as a Phase Change Material, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 525-535, 2013.
Seraji M.M., Seifi A., and Bahramian A.R., Thermal and Mechanical Properties of Novolac-Silica Hybrid Aerogels Prepared by Sol-Gel Polymerization in Solvent Saturated Vapor Atmosphere, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 28, 161-169, 2015.
Hummers W.S. and Offeman R.E., Preparation of Grapheme Oxide, Am. Chem. Sci., 80, 1339-1339, 1958.
Goi K., Song H., Chen X., Du X., and Zhong L., Graphene Oxide as an Antishrinkage Additive for Resorcinol-Formaldehyde Composite Aerogel, Phys. Chem. Chem. Phys., 16, 11603-11608, 2014.
Kim J., Yim B., Kim J., and Kim J., the Effect of Functionalized Graphene Nanosheets on the Thermal and Mechanical Properties If Epoxy Composites for Anisotropic Conductive Adhesives (ACAs), Micrielec. Reliab., 52, 595-602, 2012.
Monti M., Rallini M., Puglia D., Peponi L., Torre L., and Kenny J.M., Morphology and Electrical Properties of Grapheme-Epoxy Nanocomposites Obtained by Different Solvent Assisted Processing Methods, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf., 46, 166-172, 2013.
Zhu Y., Murali S., Cai W., Li X., Suk J. W., Potts J.R., and Ruoff R.S., Graphene and Grephene Oxide: Synthesis, Properties and Applications, Adv. Mater., 22, 3906-3924, 2010.
Kazemi A., Naseri I., Nasiri M., and Bahramian A.R., Effect of MgCl2.6H2O Phase Change Material on Thermal Insulation Performance of Carbon Aerogel, Energ. Stora., 9, 59-68, 2017.
Haddad N., McWilliams H., and Wagoner P., NASA Engineering Design Challenges: Thermal Protection Sysems, EP-2008-09-122-MSFC, National Aeronautics and Space Administration (NASA), USA, 2007.