مقدمه:
فوم جسمی است که از دو فاز مختلف گاز و جامد تشکیل شده است. در مورد فوم های پلیمری فاز جامد از پلیمر ساخته شده است. در یک توده فومی دو نوع فضای خالی در بخش پلیمری می تواند وجود داشته باشد که آنها را سلول می نامند. از این رو دو نوع سلول شامل باز و بسته در فوم ها وجود دارند. در مورد فوم های سلول باز فاز گاز موجود نیز پیوسته است در حالی که در فوم های سلول بسته فازگاز ناپیوسته است. نوع سلول شدیداً خواص مکانیکی و حرارتی فوم های پلیمری را تغیر می دهد.
فوم های پلیمری
مقابل حفره ای، سلول باز در مقابل سلول بسته و نرم در مقابل سخت.تکنولوژی تولید این مواد را نیز میتوان اساسا به فوم سازی محلولی و فوم سازی واکنشی یا فوم سازی فیزیکی و فوم سازی شیمیایی طبقه بندی کرد. همچنین فوم را میتوان همانند مواد پلیمری به فوم ترموست و ترموپلاستیک گروه بندی کرد.
فوم در زبان انگلیسی به معنای کف است و در دانش پلیمر به کامپوزیت هایی اطلاق می شود که از یک ماده پلیمری به عنوان بستر و حباب های گازبه عنوان جز دوم کامپوزیت تشکیل شده است به طور کلی می توان فوم ها یا اسفنج ها را موادی با ساختار سلولی نامید که دانسیته آن از دانسیته دیگر مواد پایین تر است به عبارت دیگر یک فوم یا اسفنج پلیمری است که دانسیته آن به دلیل حضور یک گاز کاهش یافته است؛ لذا می توان گفت یک فوم پلیمری کامپوزیتی است که حباب های گاز درون بستر پخش شده اند. حباب های فاز گاز معمولا کروی هستند و سلول نامیده می شوند.
در حقیقت فوم به عنوان یک ماده و فوم شدن به عنوان یک پدیده ای مطرح است که در آن یک فاز غلیظ کروی (عموما) یک فاز گازی را در بر گرفته است.
زمانی که گازی در یک محیط متراکم گنجانده می شود یک ماده و یا یک پدیده جالب رخ می دهد. در طبیعت چوب پنبه وچوب وسنگ های متخلخل مصداق های مناسبی از این نوع محصولات هستند. در درختان فضاهای خالی با تاثیر مویینگی آب را از ریشه به طرف بالا می کشند که این پدیده به وضوح در فوم های خانگی (ابرها) دیده می شود. فوم در هر ناخیه ای از زندگی بشر تاثیر می گذارد. به عنوان مثال اسفنج طبیعی، با ساختار سلولی باز، یک محصول مفید برای جذب و دفع مواد مایع می باشد. بنابراین، فوم شامل ساختارهای حفره ای (حفرات گازی احاطه شده با یک فاز غلیظ یا یک کامپوزیت گاز-جامد) است. تفاوت های اساسی بین جامدات و گازها در طبیعت باعث می شوند که فوم ها ترکیباتی منحصر به فرد با خواص ویژه برای کاربردهای گوناگون باشند به عنوان مثال، ساختمان سلولی می تواند به سرعت جریان نظم بخشد اغتشاش را برطرف می‌کند و سطح انتقال جرم را افزایش دهد.در قرن بیستم با استفاده روز افزون از محصولات پلیمری سنتزی و پیشرفت تکنولوژی پلیمرها و امکان انجام عملیات پیچیده تر، افزودن مواد پف زا به راهی برای توسعه برای توسعه فرایندهای پلیمری تبدیل شده است.
با به کار گیزی قوانین شیمی و مهندسی، فوم سازی در طول جنگ جهانی دوم در اروپا و آمریکا گسترش یافت.امروزه اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری معمولی، شبکه‌ای کردن، فوم سازی واکنشیو ژلاسین روش های مختلف ساخت فوم های پلیمری هستند و تولید فوم های پلیمری به یک شاخه رونق یافته در صنعت پلیمری تبدیل شده است.
پلیمرها و خصوصا پلیمرهای ترموپلاستیک با طبیعت ویسکوالاستیک خود متمایز می‌شوند
آنها وقتی که برای محدوده عملیاتی فوم سازی مناسب باشند ساختار سلولی انبساط یافته شان خواص جالبی را نشان می دهد. به هر حال هر پلیمری نمی تواند برای فوم انتخابی مناسب باشد. با در نظر گرفتن فاکتورهایی، از جمله سازگاری با گاز، شرایط فرایند، توانایی نگه داشتن حالت فوم در شرایطی دینامیکی و پایداری در طول زمان جایگزینی گاز، تعدادی کم از پلیمرها در فهرست به جا می مانند. به طرزی تعجب آور این فوم های پلیمری منحصر به فرد به علت خواص ویژه خود در کاربردهایی که به مقاومت نیاز دارند نیز به کار رفته اند. حفرات گازی پراکنده در بستر پلیمری به طور آشکار خواص، مورفولوژی و ساختار پلیمرها را دگرگون می‌کنند. دانسیته پایین ترشان سبب شده از سال ۱۹۴۰ کاربردی تجازی بیابند.همچنین به علت ساختار سلولی خود در عایق بندی، که بازار چشم گیری نیز دارد، به کار می روند.
از یک دیواره سلولی با الاستیسیته کافی می توان به فراوانی ذز صنایع ورزشی و لوازم منزل استفاده کرد. سایر صنایع مانند پزشکی، بسته بندی و خودروسازی با استفاده از فوم های پلیمری توسعه یافته اند. تنوع کاربردها و میزان استفاده از فوم های پلیمری رو به گسترش است. مکانیسم های تولید و مواد اولیه متغیرهای اولیه هستند که مستقیما بر روی تشکیل ساختار تاثیر می گذارند. زمانی که این ها با گاز بافی مانده ترکیب می شوند. وابستگی این عوامل به هم در نمودار زیر نشان داده شده است.
فوم پلیمری را می توان از جهات مختلفی همچون اجزا تکنولوژی و محصولات بررسی کرد. محصولات این مواد را می توان با توجه به بعد، دانسیته حفره، مورفولوژی و خواص طبقه بندی کرد به عنوان مثال، قطعه در مقابل فیلم، دانسیته بالادر مقابل دانسیته پایین، میکروسلولی درامروزه فوم های پلیمری در صنایع کاربردهای روز افزونی دارند. در حقیقت فوم ها را مواد چند منظوره می نامند زیرا میتوان از آن ها در صنایع گوناگون استفاده کرد.فوم ها می توانندبسیار نرم باشند که کاربرد آن ها در صنایع پوشاک، مهندسی اتومبیل، لرزه گیرهاو…است. فوم های سختی نیز وجود دارند که در بسته بندی و صنایع نظامی کاربرد دارند. همچنین از فوم ها می توان به عنوان عایق گرمایی وصوتی نیز استفاده کرد.
عوامل رشد تجاری فوم ها عبارتند از: سبکی، ارزانی، هدایت حرارتی کم، محدوده وسیع فرم. لاسیون از فوم سخت تا فوم قابل ارتجاع ، انواع فرایند، تولید راحت قطعات بزرگ، عدم استفاده ار فشار در بعضی از روش های تولید، بالاتر بودن نسبت استحکام به جرم در مقایسه با بقیه خانواده پلیمرها و ضربه گیری عالی.
معایب فوم های پلیمری عبارتند از :
- زمان فرآیند یا تثبیت شکل فوم طولانی است
- بعضی از روش های، مانند روش مذاب داغ، تجهیزات پیچیده می خواهند
- کنترل یکنواختی سطح محصول مشکل است
- در بیشترروش ها گاز یا بخارات سمی در محیط پراکنده می شوند
- عمر اکثر فوم ها نسبت به بقیه خانواده پلیمرها کمتر است
انواع فوم های پلیمری:
فوم پلی استایرن، فوم پلی یورتان، فوم فنلیک، فوم اوره فرمالدئیک، فوم پلی وینیل کلراید وینیل الکل –فرمالدئید، فوم اپوکسی، فوم های دیگر از میان این فوم ها مورد یک تا پنج در عایق کاری ساختمانی و پانل های ساندویچی به کار برده شده اند. شایان ذکر است که در پانل های ساندویچی اغلب فوم های سخت که سلول باز هستند به کار برده می شوند. پلیمر های که در ساخت این فوم ها استفاده می شوند به دو دسته کلی گرمانرم و گرما سخت تقسیم می شوند. فوم های پلی استایرن و PVC مثال های مورد اول (گرما نرم) و فوم های فنلیک، اوره فرمالدئید و پلییورتان مثال های مورد دوم (گرما سخت) هستند. از این رو بسته به نوع پلیمر به کار رفته در فوم ساخته شده نحوه تولید آن متفاوت است. آنچه که در مورد فوم های مختلف اهمیت دارد نوع پلیمر و نوع گازی است که در سلول های آن قرار دارند. این دو عامل ضریب هدایت حرارتی و یا توانایی یک فوم را در ایفای نقش عایق حرارتی تعیین می کند.
فوم های پلیمری ازعایق های سنتی:
عایق فوم پلیمری جسمی است که از دو فاز مختلف گاز و جامد تشکیل شده است. در مورد فوم های پلیمری فاز جامد از پلیمر ساخته شده است. در یک توده فومی دو نوع فضای خالی بین ذرات در بخش پلیمری می تواند وجود داشته باشد که آنها را سلول می نامند؛ از این رو دو نوع سلول شامل باز و بسته در فوم ها وجود دارند . در مورد فوم های سلول باز فاز گاز موجود نیز پیوسته است، به همین دلیل در فوم های سلول باز ذرات بخار آب در لابه لای سلولهای فاز جامد قرار گرفته و ضریب انتقال حرارت راافزایش می دهددر حالی که در فوم سلول بسته فاز گاز ناپیوسته است. پلیمرهایی که در ساخت این فوم ها استفاده می شوند به دودسته کلی گرمانرم و گرماسخت تقسیم می شوند. فوم های پلی استایرن و پلی اتیلن (پلی فوم) مثال های مورد اول و فوم پلی یورتان مثال مورد دوم هستند. از این رو بسته به نوع پلیمر به کار رفته در فوم ساخته شده نحوه تولید آن متفاوت است. آنچه که در مورد فوم های مختلف اهمیت دارد نوع پلیمر و نوع گازی است که در سلول های آن قرار دارند . این دو عامل ضریب هدایت حرارتی و یا توانایی یک فوم را در ایفای نقش حرارتی تعیین می کند.
پلی استایرن منبسط (فوم پلی استایرن، پلاستو فوم یا یونیلیت)
برای اولین بار پلی استایرن توسط یک شرکت آلمانی در سال ۱۹۴۰برای عایق در صنایع الکتریکی ساخته شد. و در جریان جنگ جهانی دوم جهت ساخت لاستیک مصنوعی از آن استفاده شد. محصولات پلی استایرن در سه گرید تولید می شود.
گرید ۱- مقاوم در برابرضربه که جهت مصارفی مانند: تهیه ظروف، بدنه لوازم خانگی استفاده می شود.
گرید ۲- نوع معمولی که مقاومت کمتری در مقابل ضربه دارد که کاربردهای در صنایع اتومبیلسازی و الکتریکی و غیره دارد.
گرید ۳- پلی استایرن منبسط یا فوم پلی استایرن (پلاستو فوم )که در صنایع بسته بندی کار برد وسیعی داشته و به عنوان عایق حرارتی نیز استفاده می شود دامنه استفاده از این فوم در حال افزایش است به عنوان مثا ل اخیرادر سقف های تیرچه بلوک به جای بلوک سیمانی از بلوک های پلاستو فوم استفاده می شود.
مزایای عمده فوم پلی استایرن عبارتند از:
۱-انتقال حرارت کم جهت استفاده عایق حرارتی
۲- جذب خوب انرژی برای بسته بندی مواد
۳-شناوری بالا
۴-بالا بودن نسبت سفتی به وزن به طوری که قطعات ساخته شده دارای وزن کم و استحکام خوب هستند
۵ -هزینه کم به ازای واحد حجم
معایب عمده فوم پلی استایرن عبارتند از:
۱-خاصیت اشتعال پذیری وکمک به گسترش حریق
۲-تولید گازهای سمی در هنگام سوختن.
۳ -انتقال بخار آب و جذب رطوبت
۴-نمی توان در بالاتر از C ۷۴ درجه سلسیوس به کار برد فوم پلی استایرن به طور وسیعی در عایق حرارتی۵۴-تا ۷۴درجه سانتیگراد به کار برده شده است که دلائل عمده آن قیمت پائین بوده، در دسترس می باشد و به راحتی ساخته می شود، محکم و پایدار بوده و در برابرتخریب مقاوم است. پلی استایرن اکسترود شده به صورت تخته در اندازه های مختلف جهت ساخت دیوار و عایق بام در دسترس است. دانه های قابل انبساط پلی استایرن را نیز می توان به صورت صفحاتی برای نما در ساختمان سازی ساخته و به کار برد. در مواردی که کاربردعایق حرارتی مورد نظر است مقاومت بالا لازم نبوده و پلی استایرن منبسط به اندازه کافی مقاومت دارد.
فوم پلی استایرن را در جرم ویژه های بسیار پائین نیز می توان تولید کرد. ولی کاهش جرم ویژه به افزایش ضریب هدایت حرارتی با کاهش عایق حرارتی و افزایش انتقال بخار آب می انجامد. از این رو از این نوع فوم های بسیار سبک در کارهای بسیار حساس نمی توان استفاده کرد.
پلی یورتان
فوم پلی یورتان با یک ساختار سلولی بسته که برپایه پلی یورتان، حضور کاتالیزورها و مواد دمنده باواکنش شیمیایی پلی ایزوسیانات ها با ترکیبات حاوی هیدروژن اسیدی ساخته می شوند. مزیت های فوم پلی یورتان عبارتند از : هدایت حرارتی کم که از تمامی مصالح عایق متداول دیگر کمتر است، وزن سبک، استحکام بالا، قابلیت بسیار زیاد در پذیرش تغییر در فومولاسیون جهت برآورده کردن انتظارات کاربردی، چسبندگی قوی به بسیاری از مواد، نفوذپذیری کم در برابر بخار آب، مقاومت حرارتی در دمای بیش از ۱۰۰ در جه سلسیوس، قابلیت فوم شوندگی در محل برای پر کردن شکل های پیچیده، فوم سخت پلی یورتان در گستره وسیعی از دما به عنوان عایق حرارتی به کار برده شده است. برای مثال این نوع فوم در عایق کاری ازت مایع در-۱۹۶ درجه سلسیوس و بخار در +۱۲۶ درجه سلسیوس به کار برده شده است.
فرم انعطاف پذیر پلی یورتان نیز در عایق کاری لوله ها می تواند به کار برده شود. فوم های پلی یورتان به صورت یک لایه نازک با کارآرایی بالا عایق کاری بدنه یخچال ها و فریزرها به کار برده می شود. امروزه سعی می شود که فوم پلی یورتان باگازی غیر از CFC (کلروفلوئور کربن) به عنوان ماده دمنده ساخته شود. اگر چه این گازها به خوبی گاز های CFC عایق کاری را انجام نمی دهند، اما به لایه ازن سیاره زمین آسیب کمتری وارد می کنند، چگالی فو م های ساخته شده توسط روش جدید معمولا ۳۲ کیلو گرم بر متر مکعب است. فوم های پلی یورتان سلول باز با چگالی کم (۸ کیلو گرم بر مترمکعب) نیز وجود دارد. بعضی انواع با چگالی کم از دی اکسید کربن به عنوان ماده دمنده استفاده می کنند و همچنین فوم های کم چگالی به داخل دیوار های دو جداره باز اسپری می شوند و به سرعت منبسط می شوند و فضای خالی راپر از درزبندی می کنند فوم های آهسته منبسط شونده برای ساختمان های موجود که عایق حرارتی ندارند در نظر گرفته شده است. این فوم مایع بسیار آهسته منبسط می شود و بنابراین احتمال آسیب رسیدن به دیوار ناشی از انبساط بیش از حد کاهش می یابد. فوم در برابر بخار آب نفوذ پذیر است، قابل انعطاف بوده و در برابر مکش آب این عایق درزبندی هوای خوبی انجام می دهد. همچنین کندسوز است و بعد از براشتن آتش، شعله پایدار نخواهد بوداما نکته با اهمیت این است که متصاعد نمودن گازهای سمی سیانید هیدروژن (سیانور) در مجاورت حرارت یا در هنگام سوختن می باشد.
فوم پلی اتیلن
پلی اتلین دارای خواص مهمی از جمله عایق الکتریکی، خاصیت فیلم و ورقه شدن و مقاومت شیمیایی در برابر رسوبات را داراست. از جمله معایب پلی اتلین این است که در برابر حلال ها تحت دما و شرایط معین، مقاومت کمتری نشان می دهد و اکسیژن می تواند در آن خرابی بوجود آورد. به طوری که در طولانی مدت وقتی در برابر آب قرار می گیرد اکسیژن آزاد شده تولید پوسیدگی می کند این امر استفاده از این عایق ها را در شبکه آبرسانی آب گرم محدود می کند. در صورت استفاده از این عایق در صنایع برودتی وحرارتی با پدیده کندانس و اتلاف حرارت مواجه خواهیم شد ضریب انتقال حرارت این عایق در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد ۰/۰۴۲ است. این عایق قابل اشتعال است و برابر شعله مستقیم باعث افزایش دامنه حریق می گردد و نباید از آن در معرض تابش مستقیم نور خورشید استفاده شودگسترده دمائی قابل استفاده از این فوم بین دماهای ۴۰- ۹۰ تا است.
فوم پلی وینیل کلراید(Pvc)
محدوده وسیعی از تغییر شکل فشاری همراه با مزایای عالی عایق رطوبت و بخار ارایه می دهد. فوم PVC از طریق آمیزه سازی انواع مختلف نرم کننده و کوپلیمر به دو طریق فیزیکی و شیمیایی با خواص مختلف به دست می آید. این فوم ها به صورت نرم، سلول باز، بخشی سلول باز، نیمه سخت و سخت سلول بسته می توانند باشند. از نظر عایق حرارتی فوم PVC سخت دو برابر گران تر از فوم های پلی استایرن و پلی یورتان است. در مقایسه با دیگر پلاستیک های سلولدار به کار رفته در عایق حرارتی PVC انبساط مقاومت بالایی داشته و بسیارسخت است. فوم PVC سخت عایق حرارتی و صوتی بسیار خوبی بوده و نفوذ بخار و رطوبت در آن بسیارکم است. از آنجا که مقاومت برشی فوم PVC بالاست سطح آن برای اعمال سیمان و گچ بسیار مناسب است. مزیت عمده فوم های PVC عملکرد بهتر آنها در برابر آتش نسبت به سایر فوم های پلیمری است. از این رو نوع پانل ها در کاربردهای دریایی و ساختمانی در اورپا پذیرفته شده اند.
نیتریل فوم
دمای کار آن ۳۰- تا ۱۱۰+ درجه سلسیوس (۱۵۰ در جه سلسیوس به طور متناوب ) است. مقاومت عالی در برابر مایعات و روغن دارد.
ضعف آن مقاومت کم در برابر ازن و عملکرد بد در دماهای پایین است اما آن را می توان با افزودن روان کننده ها بهبود بخشید. نیتریل (اکریلونیتریل- بوتادین ) مقاومت بسیار خوبی در برابر روغن و بنزین دارد. مقاومت سایشی به طور متوسط زیاد است.
مقاومت در برابر حلال آن بیش از نئوپیرن است اما در کاربردهایی که در معرض شرایط جوی سختی قرار می گیرد، توصیه نمی شود. این ماده عاری از CFC آز بست و کلر است و باعث حساسیت پوستی نمی شود. باعث رشد باکتری و قارچ نمی شود. یکی از انواع فوم های نیتریل، سلول بسته است. آن محصول برای عایقکاری و صوتی طراحی شده است. علاوه بر این زیباست و عمر درازی دارد. قابلیت صدابندی بیشتر و صرفه اقتصادی بالاتری نسبت به انواع معمول مصالح عایق کاری صوتی سلول بسته یا سلول باز دارد.
نیتریل فوم را معمولاً در عایقکاری اتاقک های موتور کامیون، اتومبیل ها، هواپیماها، کشتی ها (رطوبت جذب نمی کند)، ژنراتورها و سیستم های تهویه هوا و کانال های مربوط استفاده می کنند. شیشه سلولی عایق شیشه سلولی از شیشه خرد شده تشکیل می شود که با یک ماده سلول ساز ترکیب می شود. این اجزا با یکدیگر مخلوط می شوند، در یک قالب ریخته و سپس در یک دمای حدود ۵۱۰ درجه سلسیوس حرارت داده می شود. در طی فرآیند حرارت دادن، شیشه خرد شده به یک مایع تبدیل می شود و تجزیه ماده سلول ساز باعث می شود که مخلوط منبسط شود و قالب را پر کند. همان طور که مخلوط منبسط می شود، میلیون ها سلول بسته، یکسان به وجود می آید که ماده عایق حرارتی سختی تشکیل می دهد.
فوم اوره فرمالدئید
پایه نیتروژن فوم اوره فرمالدئید (UF) در طی دهه ۱۹۷۰ در ساختمان های مسکونی استفاده می شد. با این وجود پس از چندین شکایت در دادگاه مربوط به مسایل سلامتی به دلیل اجرای نادرست از بازار ساختمان های مسکونی حذف شد و اکنون عمدتاً برای دیوارهای بنایی در ساختمان های تجاری یا صنعتی استفاده می شود. در این نوع عایق فومی از هوای فشرده به عنوان ماده منبسط کننده استفاده می شود. در این نوع عایق فومی از هوای فشرده به عنوان ماده منبسط کننده استفاده می شود. فوم UF بر پایه نیتروژن ممکن است چند هفته طول بکشد تا کاملا عمل آوری شود. بر خلاف عایق پلی یورتان، این محصول در حین عمل آوری منبسط نمی شود و اجازه می دهد که بخار آب به راحتی از میان آن عبور کند. فوم UF هم چنین در هنگام قرارگیری طولانی در دماهای زیاد بیش از ۸۸ درجه سلسیوس فرو می پاشد و حاوی هیچ ماده شیمیایی کندسوز کننده ای نیست. قیمت این عایق با عایق فله ای یا ریخته شده در محل قابل رقابت است.
فوم فنولیک
مصالح عایق کاری فوم فنلیک (PF)صلب، مصالح پلاستیک سلولی صلبی است که به طور عمده ساختار سلولی بسته دارد و از رزین فنلیک در ترکیب با یک ماده دمنده و یک کاتالیزور، با افزودن حرارت خارجی یا بدون آن ساخته می شود. چند سال پیش این نوع فوم به عنوان یک عایق تخته ای صلب تا حدی متداول بود. در حال حاضر تنها به صورت یک عایق فوم شده در محل در دسترس است. در تولید آن از هوا به عنوان ماده دمنده استفاده می شود. عیب اصلی فوم فنولیک این است که می تواند پس از عمل آوری تا ۲ در صد جمع شود. این مورد باعث شده است که این عایق امروزه کمتر متداول باشد،چون گزینه هایی وجود دارد که این عیب را ندارد. فوم فنلیک یک کامپوزیت گرما سخت ارزان قیمت دارای استحکام مکانیکی بالا و مقاومت عالی در برابر دماهای بالاست. برای مثال، حداکثر دمای پیوسته فوم های فنلیک ۱۴۹ درجه سلسیوس است در حالی که فوم های پلی استایرن، پلی الفین و کوپلیمراستایرن را نمی توان در بالاتنر از ۷۹-۷۱ در جه سلسیوس به کار برد. فوم فنلیک خود خاموشگر بوده و نسبت به فوم های پلاستیکی دارای دو مزیت است: اول آنکه در هنگام سوختن چکه نمی کند و دوم در هنگام سوختان ذغال سختی تولید می شود که از توسعه شعله جلوگیری می کند چرم ویژه فوم های فنلیک به کار رفته بین ۴۰ تا ۶۴ کیلوگرم بر متر مکعب است و هدایت حرارتی آنها از فوم های پلی استایرن و پلی یورتان بیشتر است. دلیل هدایت حرارتی بالاتر وجود سلول های باز و جذب آن نسبتاً بالا و سرعت نفوذ بخار آب بالا است. از طریق ایجاد پوسته می توان کارآیی عایق حرارتی این نوع فوم ها را افزایش داد. یک نمونه اعمال قیر روی سطح این نوع فوم ها است. از نظر چسبندگی نیز اندود به خوبی به آنها می چسبد ولی سطح آنها را نمی توان رنگ کرد.
