شکل ۳‑۲:مراحل ترکیب و ساخت پلی یورتان
شکل ۳‑۳: شکل شماتیک از روش پراکنش نانورس در ساختار پلی یورتان
همانطور که گفته شد؛ سیستم تأخیر اشتعال مورد استفاده در این پایان نامه شامل افزودنی و پرکننده معدنی خاک رس از نوع کلوزیت B30با ساختار نانو و همچنین تأخیردهنده اشتعال اوره کندانس که با ماتریس پلی یورتان و ترکیب شیمیایی آن سازگاری بالایی دارد، می‌باشد.
آزمون‌ها و دستگاه‌ها
آنالیز وزن‌سنجی حرارتی[۲۳۹] TGA برای ۴ نمونه‌ی ساخته شده پلی یورتان خالص، پلی‌یورتان و اوره‌کندانس به عنوان تأخیر دهنده اشتعال، پلی یورتان و کلوزیتB30، پلی‌یورتان و افزودنی تأخیردهنده اشتعال و کلوزیتB30 انجام شده است.
مقداری از هر نمونه فوم برش داده شده و تکه‌های با وزن mg5 درون بوته ای به حجم ۴۵ میکرولیتر از جنس آلومینا بصورت نیمه پر[۲۴۰] قرار داده می‌شود.
هرکدام از نمونه‌ها در نرخ‌های گرمایش ۱۰؛ ۲۰ و °C/min60 توسط دستگاه TGA مدل PYRIS DIAMOND با حساسیت اندازه‌گیری در وزن ۲/۰ میکرو گرم از دمای اتاق و محیط[۲۴۱](C°۲۵) تا دمای °C700 با تزریق گاز نیتروژن به درون محفظه واکنش با جریان ml/min60 انجام شده است.
درون کوره و محفظه واکنش؛ بوته‌ی نمونه و بوته‌ی مرجع هر دو بر روی تیغه‌ای از جنس پلاتینیوم قرار داده شده تا شرایط یکسانی برای هر دو فراهم آورده شود.
آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی[۲۴۲] DSC: این آزمون برای هر چهار نمونه بوسیله دستگاه DSC مدل Pysis 6 DSC ساخت شرکت Perkin Elmer ساخت کشور امریکا؛ با سنسورهایی از جنس آلیاژ کرومل(۹۰% نیکل-۱۰%کروم) می‌باشد با حساسیت ۶/۰ میکرو وات و درمحدوده انرژی ۲۵۰± میکرووات؛ در نرخ گرمایش°C/min10 و تحت شرایط اتمسفر نیتروژن از دمای محیط تا دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد صورت گرفت.
مدلسازی ریاضی پاسخ حرارتی
هدف از این کار بهینه کردن یک مدل ریاضی مناسب برای پاسخ حرارتی کامپوزیت پلیمری تحت شرایط تجزیه است. برای این منظور بایست اطلاعات دقیقی از خواص حرارتی، خواص سینتیکی و خواص انتقال به صورت داده دسترس باشد. بنابراین به منظور رسیدن به مدل حرارتی مطلوب بایست وابستگی دمایی هدایت حرارتی و طرفیت حرارتی ویژه هر کدام از اجزا( در این مقاله دغال و ماده اصلی)، و همچنین سینتیک تجزیه ماده ما اندازه گیری شده باشد.
دقت مدل نیز بوسیله مقایسه با داده های آزمایشگاهی و محاسبه شده در حالت گذرا و پروفایل دمایی تک‌بعدی در یک نمونه کامپوزیتی استوانه‌ای در حال تجزیه تحت فلاکس حرارتی تابشی مشخص، سنجیده می‌شود.
نکته‌ی حائز اهمیت این است که واکنش پیرولیز موجب تغییرات زیادی در خواص ماده خواهد گذاشت. بویژه؛ تغییرات ترکیب شیمیایی ماده و انبساط حرارتی-شیمیایی موجب تغییرات زیادی در خواص حرارتی و انتقالی ماده می‌گذارد. بعلاوه این فرآیندها بسیار وابسته به نرخ گرمایش هستند. با افزایش میزان نرخ گرمایش؛ واکنش‌ها و انبساط حرارتی-شیمیایی مربوطه و دیگر خواص مرتبط به دماهای بالاتر منتقل خواهند شد. زمانیکه فرایند تجزیه آغاز می‌شود؛ رفتار حرارتی ماده بوسیله واکنش‌های شیمیایی؛ انبساط شیمیایی-حرارتی؛ تغییرات حرارتی و خواص انتقال و حضور گازهای تجزیه تغییر خواهد کرد.
بطور طبیعی برای مدلسازی پاسخ ماده پلیمری به حرارت اعمال شده، تأثیرات این فرآیندها باید در نظر گرفته شود. همانطور که گفته شد مدل‌های تحلیلی مختلفی برای توصیف و در نظر گرفتن انتقال حرارت در فرایند تجزیه مواد کامپوزیتی پیشنهاد شده‌اند که براساس فرایند تجزیه چوب و و ساختار ذغال باقیمانده از آن بدست آمده‌اند. بطور کلی این مدل‌ها شبیه به هم هستند و تنها اختلاف اولیه آنها در شکل هندسی، شرایط مرزی و روش حل آنهاست. در برخی از این مدل‌ها فرض شده است که خواص حرارتی ثابت و واکنش تجزیه مرتبه اول اتفاق میافتد. بعد از آن مدل‌هایی بر اساس تغییر خواص حرارتی و فیزیکی ماده در حین تجزیه ارائه شدند. برخی دیگر مدلی را پیشنهاد کردند که نه تنها به بررسی تغییرات خواص ماده بلکه به بررسی تأثیر جریان گاز در ساختار ذغال و وابستگی دمایی گرمای تجزیه و تبخیر پرداختند. در نهایت مدل‌هایی پیشنهاد شد که ماده را به دو بخش فعال و بخش باقیمانده تقسیم نمود.[۳۵]
ایراد تمامی این مدل‌ها استفاده از معادلات سینتیکی مرتبه اول در محاسبات تجزیه ماده ناشی از واکنش‌های پیرولیز بود. مدل مورد استفاده حاضر، یک مدل حرارتی پایه است که:
توانایی بررسی تجزیه در حین واکنش‌های کربن-سیلیکا و پیرولیز در دماهای بسیار بالا
شامل خواص حرارتی و انتقالی وابسته به جرم و دماست
شامل نفوذ گازهای تجزیه در ساختار ذغال می‌شود.
از مدل سینتیکی مرتبه n در انجام محاسبات استفاده شده است.
البته برای بهبود و ارائه مدل در این پژوهش، ما از فرضیات ساده کننده زیر استفاده می‌کنیم:
عدم تجمع گازهای حاصل از تجزیه در ماده جامد
عدم انبساط حرارتی-شیمیایی
تعادل حرارتی میان گازهای تجزیه و ماده جامد
با افزایش دما میزان هدایت حرارتی افزایش می‌یابد.
از تأثیر تخلخل جسم و نمونه صرف نظر می‌کنیم. میزان ضریب هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی ویژه هوا در دمای محیط بترتیب برابر ۰۲۶/۰ و kJ/Kg.°K 0072/1است و این مقادیر بدست آمده برای نمونه‌ها در دمای محیط تقریباً برابر است. لذا میتوان گفت که در این مورد خاص تخلخل بر روی میزان هدایت حرارت و گرمای تجزیه تأثیر نخواهد گذاشت.
پراکنش اوره کندانس و نانورس بصورت یکنواخت در نمونه‌ها در نظر گرفته می‌شود و هیچگونه تجمع و خوشه‌ای شدن[۲۴۳] از دو پرکننده در محیط ماتریس نخواهیم داشت. نحوه پراکنش نانو در فاز ماتریس را نیز بصورت درون لایه‌ای[۲۴۴] در نظر می‌گیریم.
وابستگی دمایی پارامترهای ضریب هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی ویژه نمونه‌ها صرف نظر کرده‌ایم و فقط وابستگی به جرم را وارد معادلات و محاسبات می‌کنیم.
به صورت کلی جریان گرما در جهت ضخامت کامپوزیت را میتوان توسط معادله اصلاح شده لاپلاس[۲۴۵] که در ابتدا توسط Henderson پیشنهاد شد[۳۵] توصیف کرد:
| (۳‑۱) |
رابطه میان گرمای ویژه Cp و آنتالپی برای هر دو فاز ماده اصلی و ذغال بوسیله فرمول‌های زیر نشان داده می‌شود[۹۱]:
| (۳‑۲) |
| (۳‑۳) |
