هواژل(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی

از لحاظ عملکردی و دلیل اینکه چرا عایقهای نانوساختار عایقهای بهتری هستند به طور علمی و خلاصه در ادامه شرح داده می شود اما لازمه آن این است که خواننده محترم با مکانزیمهای انتقال حرارت سه گانه شامل انتقال حرارت رسانایی، انتقال حرارت جابجایی یا همرفتی و انتقال حرارت تابشی آشنا باشد، با این فرض موارد زیر در مورد عایقهای نانوساختار و اصولا هر ماده نانومتخلخل دیگری وجود خواهد داشت:

هواژل سیلیکاییشماتیک بخشی از ساختار هواژل(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی که مکانیسم های مختلف انتقال حرارت را نشان  می دهد

۱-‌  انتقال حرارت رسانایی :  انتقال حرارت رسانایی ناشی از جرم جسم و از طریق نوسان مولکولهای جسم صورت می گیرد. به عبارت ساده با ایجاد گرادیان دما در دو بخش جسم (جسم می تواند جامد، مایع و یا گاز باشد که در اینجا منظور بررسی جامدات است) حرارت از طریق نوسان درجای مولکولها در بخش گرمتر شروع شده و این نوسان به مولکولهای اطراف منتقل می شود.

با توجه به این مکانیسم، انتقال حرارت رسانایی نیاز به جرم یا چگالی بالا دارد تا بتواند بهتر و سریعتر منتقل شود. هواژلهای (ائروژلهای – Aerogel ) سیلیکایی چگالی متوسط ۰٫۱ گرم بر سانتی متر مکعب دارند که نسبت به عایقهای رایج با چگالی حدود ۰٫۷ گرم بر سانتیمتر مکعب بسیار کمتر است و لذا ماده ای برای انتقال حرارت وجود ندارد. بر این اساس انتقال حرارت رسانایی در عایقهای هواژل(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی بسیار کم است.

۲-‌ انتقال حرارت جابجایی: انتقال حرارت جابجایی بر اساس جابجایی هوا در فواصل مابین ناحیه گرم و سرد صورت می گیرد. به عبارت دیگر در صورتی که هوا در تماس با منبع گرم باشد، گرم شده و چگالی آن کاهش می یابد و با کاهش چگالی هوای گرم سبکتر شده و به سمت بالا حرکت می کند و هوای سرد جایگزین آن می شود و این چرخه دائما ادامه پیدا می کند. مثال ساده گرم شدن اتاق به واسطه روشن بودن بخاری است.

در عایقها برای جلوگیری از این منظور سعی می شود تا حداالامکان اندازه حفرات عایق کوچکتر شود. اگر اندازه حفرات در مقیاس نانومتری باشد نوع نفوذ مولکولهای هوا در محیط حفرات از مکانیسم نفوذ فیک به مکانیسم نفوذ نادسن تغییر می کند. به عبارت ساده در حفرات بزرگتر از نانومتر به تعداد کافی مولکول هوا و فضا برای حرکت مولکولهای هوا وجود دارد که می تواند به راحتی گرما را از طریق جابجایی منتقل کند. اما در حفرات نانومتری مولکولهای هوا که در مقادیر بسیار کمتر در حفره کوچک وجود دارند برای جابجایی باید دائما در تماس با دیواره های حفرات باشند که اصطلاحا به این نوع حرکت مولکولها در تماس با دیواره نفوذ خزشی و یا نادسن گفته می شود.

مولکول هوا اگر بخواهد به جای حرکت آزاد در فضا روی دیواره جامد حفرات خزش کند سرعت حرکت آن حدود ۱۰۰ برابر کاهش می یابد. در عایقهای معمولی اندازه حفرات از چند میلیمتر تا حتی سانتیمتر می تواند باشد در حالی که در عایقهای هواژل(ائروژل – Aerogel ) اندازه حفرات از ۲ تا ۵۰ نانومتر است و لذا انتقال حرارت جابجایی نداریم.

۳-‌ انتقال حرارت تابشی: انتقال حرارت تابشی از جمله مکانیسمهای مهم انتقال حرارت می باشد که نیازی به وجود جرم برای انتقال ندارد.

انرژی از خورشید به زمین در فواصل تهی از ماده می رسد. نکته مهم در انتقال حرارت تابشی این است که این نوع مکانیسم در دماهای معمولا بالاتر از ۴۰۰ درجه سلسیوس اهمیت پیدا می کند و به عبارت دیگر در کمتر از این دما مکانیسم انتقال حرارت رسانایی و جابجایی مهم هستند. منبع اصلی انتقال حرارت تابشی طول موج مادون قرمز می باشد. مواد تیره رنگ اشعه مادون قرمز را به راحتی جذب می کنند و این موج نمی تواند از مواد تیره رنگ عبور نماید. بر این اساس در هواژلهای(ائروژل – Aerogel ) به رنگ روشن و یا سفید که در نمونه محصولات دیده می شود برای کاربرد در دماهای خیلی بالا کارایی کمتری خواهند داشت. برای رفع این مشکل از هواژلهای(ائروژل – Aerogel ) تیره که در آنها از افزودنی های تیره رنگ استفاده شده است استفاده می شود که می توانند به طور کامل انتقال جرارت تابشی را متوقف کنند. در طرح فعلی هر دو نوع عایق حرارتی هواژل(ائروژل – Aerogel ) پتویی تولید خواهد شد. لازم به ذکر است بر اساس محل کاربرد عایق نیازی به استفاده از عایقهای تیره در دماهای پایین تر از ۴۰۰ درجه سلسیوس نمی باشد و فقط در دماهای خیلی بالا لازم هستند. شکل زیر مکانیسم های انتقال حرارت در عایق هواژل سیلیکایی را نشان می دهد.