مقاله ساخت و بررسی خواص شیشه اسفنجی

بخشی از مقاله

چکیده:

عایقها در زندگی امروز بشر نقش مهمی برعهده دارند، از اینرو ساخت و تولید عایقهائی با قابلیتهاي کافی و ویژگیهاي مناسب از جایگاه خاصی برخوردار است. ما در این مقاله گزارشی از تولید یک عایق چند منظوره حرارتی رطوبتی بسیار سبک، با استحکام مکانیکی مناسب، غیرقابل احتراق و سازگار با محیط زیست را ارائه مینمائیم. تولید این نمونه با افزودن کربنات کلسیم - CaCO3 - صورت گرفته و اثر دانه بندي و درصد عامل حبابزا بر روي دانسیته و خواص حرارتی آن براساس استانداردهاي ASTM بررسی شده است.

مقدمه:

شیشه اسفنجی عبارت است از مخلوطی از شیشه به علاوه عامل حبابزا. همانطور که میدانیمعموماً افزایش دما سبب افزایش حجم و در نتیجه کاهش دانسیته میشود.در شیشههاي اسفنجی به علت وجود عامل حبابزاي کربنات کلسیم با افزایش دما علاوه بر افزایش حجم معمول، فرآیند اسفنجی شدن با خروج گازهايفرّار از سطح ماده صورت میگیرد. این فرآیند سبب پدید آمدن تخلخلهائی بسته در ماده میشود، که این تخلخلها اثرات مهمی در تغییر دانسیته، خواص مکانیکی و حرارتی ماده دارد، به گونهاي که شیشههاي اسفنجی را به کاندیداي خوبی جهت استفاده به عنوان عایق حرارتی رطوبتی تبدیل مینماید.با توجه به اهمیت بالاي صرفه جوئی در مصرف انرژي و جلوگیري از آلودگیهاي رطوبتی و صوتی در ساختمانها وتأسیسات و در نظر گرفتن بهاي اندك مواد اولیه به کار رفته در این محصول و سادگی نسبی تکنولوژي تولید و دانش فنی آن، تولید این ماده مقرون به صرفه بوده و توجیه اقتصادي دارد.

شیشه ضایعاتی به کار رفته در تولید شیشه اسفنجی شامل سیلیس، کربنات سدیم، کربنات کلسیم، دولومیت، بوراکس، فلدسپات و ترکیبات سرب میباشد و کربنات کلسیم با آنالیز شیمیائی زیر:%0/03 اکسیدسدیم،%55/9 اکسید کلسیم، %0/01 اکسیدآهن 3، %0/1 اکسید سلیسیم، %0/01 اکسید پتاسیم، %43/95 مواد فرار به عنوان عامل حبابزا به کار رفته است.از نظر کریستالوگرافی، ساختار این مواد به صورت چهاروجهی سیلیسی میباشد که نحوه اتصال این چهار وجهیها به یکدیگر متفاوت است. در تمام سیلیکاتها رئوس - طبق قانون پاولینگ - به اشتراك گذاشته میشوند، تفاوت نحوه اتصال در این ماده سبب پیدایش ساختار FCC براي این ترکیب شیشهاي شده است. دو نوع فضاي خالی در این ساختار مشاهده میشود که تعداد فضاهاي تتراهدرال 8 عدد و تعداد فضاهاي اکتاهدرال 4 عدد است .[4]

خواص فیزیکی شیشه اسفنجی:

یکی از خواص مهم این ماده، کاهش هدایت حرارتی میباشد. به علت کوچک بودن هدایت حرارتی در شیشه اسفنجی، این ماده به عنوان عایق حرارتی قابل توجه میباشد. علت کوچک بودن هدایت حرارتی در این نوع شیشه وجود اتصالات کربنات کلسیماکسید سیلیسیم است که باعث کم شدن میانگین پویش آزاد شده و طبق رابطه - 1 - هدایت حرارتی کاهش مییابد.در رابطه - 1 - ، K هدایت الکترونی یا فونونی، C گرماي ویژه، v سرعت حامل انرژي و L میانگین پویش آزاد است.علت مهم دیگر براي کوچک بودن هدایت حرارتی، وجود تخلخلهاي بسته پدید آمده توسط عامل حبابزا میباشد که مانند سد پتانسیل از پیشرفت موج الکترونی یا فونونی در ماده جلوگیري کرده و قسمت عمدهاي از این موج را بازتاب میدهد. در نتیجه تأثیر قابل توجهی در فرآیند انتقال حرارت از یک سوي ماده به سوي دیگر آن دارد.

خاصیت فیزیکی مهم دیگر ظرفیت گرمائی ویژه میباشد. ظرفیت گرمائی ویژه به عنوان معیاري از پاسخ ماده به تغییرات دما از جایگاه مهمی در بررسی خواص حرارتی مواد برخوردار است. طبق رابطه - 2 - و با استفاده از قانون اول ترمودینامیک ظرفیت گرمائی ویژه براي یک سیستم ترمودینامیکی برابر مشتق دمائی گرما خواهد بود.براي شیشه اسفنجی به علت خواص عایق بودن، شارش گرما با تغییرات دما، کوچکتر از شیشه معمولی است و نتجتاًی ظرفیت گرمائی شیشه اسفنجی کمتر از ظرفیت گرمائی شیشه معمولی میباشد.در مورد چگالی به عنوان یک خاصیت فیزیکی مهم دیگر نیز میتوان به وجود تخلخلها اشاره نمود که سبب پدید آمدن فضاهائی خالی در ماده میشود. در نتیجه نسبت جرم به حجم ماده کاهش چشمگیري کرده و چگالی این نوع شیشه را به کمتر از یک گرم بر سانتی مکعب کاهش میدهد.

نمونه اي از شیشه اسفنجی تولید شده به ابعاد 4 × 3/5 × 1/5

مراحل ساخت شیشه اسفنجی:

ابتدا شیشههاي ضایعاتی و ضایعات تولید کارخانههاي شیشه تا رسیدن به یک پودر نرم خرد و آسیاب میشوند. اندازه ذرات شیشه بر روي فاکتور مقاومت حرارتی شیشه اسفنجی تأثیر میگذارد، از اینرو عمل آسیاب کردن باید به طور دقیق و کامل انجام شود. در ادامه توسط بالمیل عملیات طبقه بندي اندازه ذرات جهت یکسان سازي اندازه ذرات مطلوب انجام میگردد. از طرف دیگر مواد حبابزا نیز باید به ذرات کوچکی تبدیل شوند. علت این امر، اثرگذار بودن اندازه ذرات مواد حبابزا، در ضخامت پوسته دیواره تخلخلها میباشد. مخلوط شیشه و عامل حبابزا به علاوه مقداري رطوبت و چسب - CMC - درون یک قالب فلزي قرار گرفته و در کوره گذاشته میشود. اصولا مبناي دماي کوره، دماي تجزیه عامل حبابزا میباشد، زیرا در این دما فرآیند اسفنجی شدن آماده ظهور است، که براي کربنات کلسیم، دماي تجزیه در کوره حدود 750c بوده و این فرآیند تا دماي 1030c ادامه پیدا می کند، بدین صورت تخلخلها در این مرحله به حدنهایی و بهینه میرسند.

روش دیگر پرس پودر حاصل است، که در این روش نمونهها تحت پرس 300cmkg2 قرار میگیرند. شایان ذکر است که نتایج هر دو روشکاملاً مشابه بدست آمده است. ماده مخلوط پس از کوره، سرد و آنیل میشود، تا بلوكهاي شیشه اسفنجی بدست آید، یعنی در ابتدا پس از فشرده شدن مخلوط درون قالبها، قالب بر روي یک تسمه متحرك به درون کوره وارد میشود. براي بهبود خواص از جمله هدایت حرارتی پایین و شوك پذیري بالاتر قطعات، میتوان از پخش 0/2 تا 5 درصد وزنی از سیمهاي الیاف فولادي مقاوم در برابر خوردگی به طول 3تا 50 میلیمتر که ضریب انبساط حرارتی آنها برابر یا اندکی بیش از ضریب حرارتی شیشه است، استفاده کرد - سیم ضدزنگ فریتی کروم - 1]و2و[3،

نوع مشابهی نیز از پخش نمودن 1 تا 10 درصد وزنی از حداقل یک پرکننده غیرفلزي آلی مقاوم در برابر حرارت ساخته میشود، که این پرکنندهها مواد الیافی و لایهاي به طول 0/1 تا 3 میلیمترمیباشند، ازمعمولترین پرکنندههاي غیرفلزي سرمتهاي - سرامیک + فلز - آلومیناکروم و کوراندم -   Al2 o3 - میباشد. در مرحلهاي که حبابها به علت انبساط گاز درون آنها، منبسط و بزرگ شده و شروع به اتصال میکنند، فرآیند اسفنجی شدن باید از لحاظ گرمایش متوقفشود، پس از آنیل کردن و سرد شدن نمونه، یک فشار معکوس در حدود 0/03 مگاپاسکال در حفره ها پدید میآید که این مسأله پایدارسازي را تقویت کرده، همچنین از ایجاد تنشهاي حاصل از آنیلینگ شیشه پس از یک دوره حرارتدهی در درجه حرارت بالا جلوگیري به عمل میآورد.

غیر قابل احتراق بودن این نوع شیشه بعلت وجود فازهاي کریستوبالیت و کوارتز - فازهاي سیلیس - در ماده میباشد. که این فازها برحسب درجه حرارت ساختارشان به هم تبدیل میشود، بدین گونه که حرارت انتقالی به ماده را صرف تغییر از فاز به فاز دیگر میکند. در دماهاي پایین نزدیک به دماي تجزیه کربنات کلسیم آب بخار شده عامل ایجاد حباب ها و فرایند اسفنجی شدن می باشد و در دماهاي بالاتر بخار آب به همراه گازهاي حاصل از واکنش که عبارتند از CO2 - ناشی از کربناتها - ، CO - تشکیل شده توسط واکنش کربن - عامل تشکیل حباب است. در طول فرآیند اسفنجی شدن مقداري از باقی مانده