پایان نامه ها و مقالات

مدلسازی ریاضی، دی اکسید کربن

است.
کارهای آزمایشگاهی
مواد مصرفی
متیلن دی‌فنیل دی‌ایزوسیانات(MDI) (2,4′-methylene diphenyl-diisocyanate)که داری دو گروه عاملی ایزوسیانات است؛ از شرکت DC Chemical Co. از کشور(Kunsan)Korea تهیه شده است.
به همراه پلی اُل پایه پلی اتر که دارای دو گروه هیدروکسیل بعنوان گروه‌های عاملی می‌باشد، تهیه شده از شرکت سوئدی KEMI بعنوان مواد اولیه استفاده شده است.
نانو خاک رس اصلاح شده آلی مورد استفاده در این کار نیز از شرکت .Southern Clay Inc از کشور امریکا با دانسیته gr/cc98/1خریداری شده است. کلوزیت B30یک مونت موریلونیت طبیعی اصلاح شده با نمک آمونیوم ۴ تایی است. در این خاک رس،اصلاح کننده آلی MT2EtOH می‌باشد. Tallow موجود در اصلاح کننده عمدتاً یک زنجیره اکتادسیل۲۲۶ با مقادیر کوچکتر همولوگ پایین است.(ترکیب تقریبی: ~۶۵% C18; ~30% C16; ~5% C14)
شایان ذکر است که MT2EtOH داری دو گروه هیدروکسیل است. غلظت اصلاح کننده در خاک رس meq90 در gr100 از خاک رس است. فاصله بین هر دو لایه از خاک رس(d001)227 بر اساس نتایج آزمون تفرق الکترونی اشعه ایکس (XRD) برابر با ?۵/۱۸ می‌باشد.
این نوع و گرید از نانوخاک رس بعنوان افزودنی برای بهبود بسیاری از خواص فیزیکی مانند تقویت۲۲۸، هم‌افزایی تأخیر اشتعال و پوشش و محافظ۲۲۹، در لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
Typical properties:
Treatment/properties
Organic Modifier(1)
Modifier Concentration
%
Moisture
% Weight Losson Ignition
Closite(r) 30B
MT2EtOH
۹۰mwq/100g clay
۲%
۳۰%

شکل ‏۳-۱: کلوزیتB30
Where T is Tallow(~65% C18; ~30% C16; ~5% C14)
Anion: Choloride
MT2EtOH: methyl, tallow, bis-2-hydroxyethyl, quaternary ammonium
Typical Dry Particle Sizes: (microns by volume)
۱۰% Less than:
۵۰% Less than:
۹۰% Less than:
۲?m
۶ ?m
۱۳ ?m

Density:
Loose Bulk, Ibs/ft3
Packed Bulk, Ibs/ft3
Density, g/cc
۱۴.۲۵
۲۲.۷۱
۱.۹۸

X Ray Results: d001=18.5?
تأخیردهنده اشتعال جدید مورد استفاده با نام اوره کندانس که حاوی ترکیبات فسفره است و همچنین بدلیل وجود ترکیبات اوره؛ این تأخیردهنده دارای سازگاری بالایی با پلی‌یورتان بوده و انتظار می‌رود که باعث بهبود خواص پلی‌یورتان شود. همچنین نحوه تأثیر میان تأخیردهنده اشتعال و نانو رس و نوع مکانیسم آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت. اوره کندانس از واکنش محصولات تجزیه اوره-یعنی آمونیاک و ایزوسیانیک اسید- با فسفریک اسید؛ در دمای ۱۴۰ درجه سانتیگراد بوجود خواهد آمد. یعنی اینکه تأخیردهنده اشتعال ما از انواع فسفره می‌باشد.
تاخیر دهنده اشتعال مورد استفاده نیز ماده اوره کندانس پایه فسفریک اسید است. اوره کندانس مورد استفاده در این مبحث از اختلاط اوره و فسفروس اسید به روش مذاب در دمای ۱۴۰ درجه سانتیگراد تهیه شده است.[۹۰]

روش تهیه نمونه‌ها
تهیه پلی‌یورتان خالص
متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات و همچنین پلی‌ال پایه پلی اتر را جهت داشتن مقدار استوکیومتری مناسب توزین کرده و سپس دمتیلن دی فنیل دی ایزوسیانات در دمای ۶۵ درجه سانتیگراد و به مدت ۳۰ دقیقه در آون قرار داد؛ تا میزان گرانروی ماده کاهش یابد. مواد اولیه پیش وزن شده را با هم مخلوط کرده و بصورت دستی به مدت ۱۰ ثانیه هم زده و بعد از ۱۰ ثانیه مشاهده می‌شود که مواد شروع به واکنش خود بخود و گرمازا خواهد کرد. مدت زمان شروع هم زدن تا زمانیکه مواد اولیه شروع به واکنش می‌کند؛ زمان خامه‌ای شدن۲۳۰ نامیده می‌شود. دی اکسید کربن حاصل از واکنش موجب ایجاد تخلخل۲۳۱ خواهد شد.
بعد از گذشتن زمانی در حدود ۱۰ دقیقه افزایش حجم فوم و بعبارتی واکنش میان متیل دی فنیل دی ایزوسیانات و پلی‌ال پایه پلی اتر پایان می‌یابد. زمان شروع اختلاط تا پایان واکنش و افزایش حجم و اتمام رشد را نیز زمان رشد۲۳۲ می‌نامند.

تهیه نانو کامپوزیت و نانوکامپوزیت/تاخیر دهنده اشتعال
برای تهیه نانوکامپوزیت از تکنیک پلیمریزاسیون بین لایه‌ای درجا۲۳۳ استفاده شده است. در این روش،ابتدا نانو رس کلوزیتB30 را به مدت ۲۴ ساعت در آون در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد به منظور؛ رطوبت زدایی ؛قرار داده شده است. از هر دو نمونه پلی آل و دی ایزو سیانات در دمای ۶۵ درجه سانتیگراد در آون به مدت ۳۰ دقیقه قرار می‌دهیم؛ در این شرایط میزان گرانروی هر دو ماده کاهش می‌یابد و قابلیت نفوذ در میان صفحات نانو رس افزایش خواهد یافت. اما پلی آل درهنگام گرم شدن از خود تولید گاز می‌کند؛ این امر باعث می‌شود که در طی فرآیند سنتز؛ نانوکامپوزیت تولیدی میزان حفرات بیشتر و تخلخل با سایز بالاتری را داشته باشد. برای جلوگیری از این قضیه بایستی به پلی آل اجازه داد تا با گذشت زمان عاری از گاز۲۳۴ شود؛ در نتیجه با گذشت زمان دمای ماده کاهش می‌یابد. این امر می‌تواند بر روی پراکنش خاک رس در ماتریس پلیمری تاثیر منفی بگذارد و بالطبع خواص فیزیکی و مکانیکی نهایی کامپوزیت تحت تاثیر قرار بگیرد.
تهیه نانوکامپوزیت پلی یورتان/ خاک رس
مقدار معین ازنانو رس و ایزوسیانات را از آون بیرون آورده و به مدت ۱۰ دقیقه توسط همزن مکانیکی با سرعت rpm1500به همراه گرمایش مخلوط می‌کنیم؛ علت انتخاب ایزوسیانات به عنوان ماده ای که نانو را اول در آن مخلوط می‌کنیم کمتر فعال بودن ایزوسیانات و همچنین عدم خروج گاز از ایزوسیانات در مقایسه با پلی ال در هنگام حرارت دیدن؛ می‌باشد.
بعد از آن مخلوط نانورس و ایزوسیانات (پیش پلیمر۲۳۵) را درون دستگاه اولتراسونیک به مدت ۲۰ دقیقه می‌گذاریم.
تهیه نانوکامپوزیت نانورس/اوره کندانس/پلی یورتان
بعد از اختلاط به
م
دت ۱۵ دقیقه نانو و ایزوسیانات با سرعت rpm1500؛ اوره کندانس را افزوده و مخلوط را به مدت ده دقیقه تحت همان شرایط گرمایش و همزن مکانیکی قرار داده شد. مراحل بعدی مانند هم است.
بعد از خارج کردن مواد از دستگاه اولتراسونیک؛ مقدار پلی‌ال پیش وزن شده و با نسبت استوکیومتری خاص را به درون مخلوط ایزوسیانات و نانو و اوره کندانس ریخته و بصورت دستی و سریع به مدت ۱۰ ثانیه۲۳۶ هم می‌زنیم. واکنش گرمازا اتفاق افتاده و نانوکامپوزیت در دمای اتاق و در مدت زمان کوتاهی۲۳۷ تولید خواهد شد. قالب انجام واکنش ظرفی از جنس پلی‌استایرن بوده و نانوکامپوزیت بصورت رشد آزاد۲۳۸ در آن بوجود می‌آید.
در شکل مراحل تهیه پلی یورتان خالص و در شکل نیز مراحل تهیه نانو کامپوزیت نشان داده شده است:

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 حرارتی۲۳۹ 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 پر۲۴۰ 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 محیط۲۴۱(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 تفاضلی۲۴۲ 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 فرآیند 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 فرآیند تجزیه مواد کامپوزیتی پیشنهاد شده‌اند که براساس فرآیند 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 سینتیک
ی 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 شدن۲۴۳ از دو پرکننده در محیط ماتریس نخواهیم داشت. نحوه پراکنش نانو در فاز ماتریس را نیز بصورت درون لایه‌ای۲۴۴ 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 لاپلاس۲۴۵ که در ابتدا توسط Henderson پیشنهاد شد[۳۵] توصیف کرد:

(‏۳-۱)
?/?t (?h)=?/?x [k ?T/?x]-?/?x (m ?_g h_g )-Q_i ??/?t
رابطه میان گرمای ویژه Cp و آنتالپی برای هر دو فاز ماده اصلی و ذغال بوسیله فرمول‌های زیر نشان داده می‌شود[۹۱]:
(‏۳-۲)
dH_s=C_(P_s ) dT_s

(‏۳-۳)
dH_g=C_(p_s ) dT_g

(‏۳-۴)
H_s=?_(T_0)^(T_s)??C_(p_s ) dT?

(‏۳-۵)
H_g=?_(T_0)^(T_g)??C_(p_g ) dT?

(‏۳-۶)
H_g (T_s )=?_(T_0)^(T_s)??C_(p_g ) dT?
که در این معادله؛ هدایت حرارتی در فاز جامد، ظرفیت حرارتی ویژه و ضریب انتشار سطح۲۴۶ بوسیله متوسط‌های وزنی ماده اصلی و ذغال تعیین می‌شود.[۹۲]
معادله یک بعد از بسط سه ترم اول و همچنین جایگزینی ظرفیت حرارتی ویژه و معادله پیوستگی۲۴۷ و بازآرایی به فرم نهایی[۳۵, ۹۳] زیر تبدیل خواهد شد:

(‏۳-۷)
?C_p ?T/?t=?/?x (k ?T/?x)-? ?M/?t (Q_p+h_C-h_G )-M ?_G ?/?x h_G

(‏۳-۸)
?C_p ?T/?t=k (?^2 T)/(?x^2 )+?k/?x ?T/?x-m ?_g C_pg ?T/?x-??/?t(Q_i+h-h_g)
برای بدست آوردن توزیع حرارتی در هر نمونه بایست توسط سه معادله بقای انرژی و معادله سینتیکی آرنیوسی و معادله پیوستگی را به

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *