با اتمام سوخت‌های فسیلی، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد، آب و حتی انرژی حرارتی امری ضروری تلقی می‌شود که باید به نحوی مناسب این انرژی‌ها مهار، ذخیره و مورد استفاده قرار گیرند که در این بین ذخیره‌سازی انرژی حرارتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. استفاده از سیستم‌های ذخیره انرژی نه تنها باعث افزایش عملکرد سیستم شده بلکه کاهش مصرف انرژی را نیز در پی دارد. یکی از روش‌های جدید در زمینه ذخیره انرژی حرارتی به کار بردن مواد تغییر فاز دهنده (PCM) است. این مواد با تغییر فاز، انرژی حرارتی را در خود ذخیره و در موقع لزوم آزاد می‌کنند. به کارگیری مناسب این مواد می‌تواند در انتقال حرارت به ساختمان در ساعات اوج مصرف تأخیر بیندازد. برای اینکه مواد تغییر فاز دهنده در کاربردهای مختلف بتوانند به کار روند باید محصور شوند تا از نشت‌شان جلوگیری شود، از این رو تحقیقات عمده‌ای جهت کاربرد این مواد صورت گرفته است. مناسب‌ترین مواد تغییر فاز دهنده پارافین‌ها، اسیدهای چرب و استرهایشان می باشند که دارای خواص مطلوب بسیاری هستند که برای مثال می‌توان به گرمای نهان ذوب بالا، فشار بخار کم در مذاب، از نظر شیمیایی بی‌اثر و پایدار، در دسترس بودن و قیمت مناسب‌شان اشاره نمود. برای مثال استفاده از پارافین (RT21 یا RT20) در مصالح ساختمانی منجر به ذخیره‌سازی حرارتی شده زیرا خواص فیزیکی و حرارتی مطلوبی مانند دمای ذوب مناسب دارد که نزدیک به دمای آسایش انسان است. در طول فصل تابستان، مواد تغییر فاز دهنده نوسانات روزانه دمای هوا در محیط داخلی را کاهش داده، درجه حرارت در محیط داخلی را در سطح آسایش مطلوب و برای یک مدت زمان طولانی حفظ می‌کنند. مزیت عمده ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در فصل زمستان گرفتن تابش خورشیدی است که در طول مدت زمان اوج مصرف، نیاز به برق برای گرمایش کاهش پیدا می‌کند. برای کاربرد تجاری و صنعتی، مواد تغییر فاز دهنده در داخل پوششی از جنس پلی‌اتیلن قرار گرفته و مطابق شکل 1 می‌توانند به شکل صفحه، لوله و یا کره بسته بندی شوند.
شکل 1 انواع بسته بندی‌های تجاری برای کاربرد مواد تغییر فاز دهنده
مشکل اصلی در استفاده از پارافین در ساختمان اشتعال‌پذیری آن است که اگر به درستی محافظت نشود به راحتی آتش می‌گیرد. روش‌های مختلفی به منظور کاهش اشتعال‌پذیری پارافین به کار گرفته شده که یکی از این روش‌ها محصور نمودن پارافین درون توده کامپوزیتی و سپس قرار دادن این توده درون ظرفی توخالی است که با بتون غیر قابل اشتعال احاطه شده است. برخی نیز با محصور نمودن مواد تغییر فاز دهنده درون پلیمرها، مواد تغییر فاز دهنده‌ای با شکلی تثبیت شده تشکیل داده‌اند که برای استفاده در کاربردهای مختلف می‌توانند به هر شکلی ساخته شوند. پلیمرها و مواد تغییر فاز دهنده هر دو خطر آتش‌سوزی را می‌توانند افزایش دهند در نتیجه به کار بردن کندکننده‌های حریق مناسب در این سیستم‌ها ضروری است. انواع متفاوتی از کندکننده‌های حریق به این منظور استفاده شده‌اند که می‌توان به اطفاکننده‌های حریق، جاذب‌های گرما، کندکننده‌های حریق متورم شونده (IFR) و سیستم‌های هم‌افزا اشاره کرد.
کندکننده‌های حریق متفاوتی با مواد تغییر فاز دهنده ترکیب شده‌اند و خواص پایداری حرارتی، اشتعال‌پذیری و وجود اثر هم‌افزایی بین آنها مورد ارزیابی قرار گرفته است. از جمله این کندکننده‌های حریق گرافیت قابل انبساط، آمونیوم پلی فسفات، بورات روی، پنتا اریتریتول، کندکننده‌های حریق برمینه، ملامین فسفات، اکسید آنتیموان، ملامین سیانورات، مونت موریلونیت چربی‌دوست، منیزیوم هیدروکسید و فسفر قرمز محصور شده با ملامین فرمالدهید می‌باشند. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که افزودن کندکننده حریق، شروع دمای تخریب را بالا برده و باعث بهبود در پایداری حرارتی مواد تغییر فاز دهنده می‌شود. البته، اضافه کردن کندکننده حریق اثر کمی بر خواص ذخیره‌سازی حرارتی مواد تغییر فاز دهنده می‌گذارد.
انواع کندکننده‌های حریق
1) اطفا کننده‌های حریق
در بین انواع کندکننده‌های حریق، اولین و متداول‌ترین آنها، اطفا کننده‌های حریق هستند. آلکان‌های هالوژنه این توانایی را دارند که منبع حریق را خاموش یا محدود کنند. در حضور آتش، رادیکال‌های آزاد اکسید و هیدروکسید شکل می‌گیرند که نسبت به سوخت‌های گسترش آتش واکنش نشان می‌دهند. این آلکان‌های هالوژنه با رادیکال‌های آزاد اکسید و هیدروکسید واکنش داده تا رادیکال‌های آزاد هالوژنی غیرفعال تشکیل شوند. رادیکال‌های آزاد هالوژنی واکنش‌پذیری کمتری از رادیکال‌های اکسید و هیدروکسید دارند؛ بنابراین حضور آنها گسترش آتش را به تأخیر می‌اندازد.
2) جاذب‌های گرما
موادی مانند منیزیوم هیدروکسید و آلومینیوم هیدروکسید که گرما را از محیط اطراف جذب می‌کنند و به طور گرماگیر تجزیه می‌شوند از گرم شدن مواد پیرامون جلوگیری کرده و از این رو احتراق را به حداقل می‌رسانند. واکنش تجزیه این مواد به شرح زیر است:
H2O + MgO Mg(OH)2
Al(OH)3 Al2O3 + H2O
بر اساس نتایج به دست آمده، منیزیوم هیدروکسید در C°350 شروع به تجزیه شدن به منیزیوم اکسید و آب کرده و این فرآیند در حدود C°420 به پایان می‌رسد. این ماده دمای تخریب نسبتا بالا و باقی مانده زیادی در C°600 دارد که به معنی این است که منیزیوم هیدروکسید در برابر آتش مقاوم است. آلومینیوم هیدروکسید نیز زمانی که دما به بالاتر از دمای اتاق (تقریبا C°50) برسد شروع به تجزیه شدن به آلومینیوم اکسید و آب کرده و تا C°600 به تجزیه شدن ادامه می‌دهد. با اینکه دمای تخریب پایین است ولی باقی مانده زیادی در C°600 وجود داشته که نشان دهنده این است که آلومینیوم هیدروکسید تا حدی مقاومت در برابر آتش دارد.
3) کندکننده‌های حریق متورم شونده
کندکننده‌های حریق متورم شونده با ایجاد یک لایه زغالی حجیم از قرارگیری مواد زیرین در معرض منبع احتراق جلوگیری می‌کنند. سه گروه از مواد شیمیایی در تشکیل این سیستم‌ها نقش دارند که می‌توان به منبع اسید مانند آمونیوم پلی فسفات؛ منبع کربن همچون پنتا اریتریتول و عامل پف‌زا نظیر ملامین اشاره نمود. حین حرارت دادن، آمونیوم پلی فسفات به پلی فسفریک اسید و محصولات گازی مانند بخار آب و آمونیاک تجزیه می‌شود. سپس پلی فسفریک اسید با پنتا اریتریتول واکنش داده تا یک لایه عایق زغالی ایجاد شود و همزمان محصولات گازی و ملامین باعث تورم لایه زغالی می‌شوند. در حضور گرافیت منبسط شده نیز این فرآیند قابل اجرا است؛ به طوری که در این حالت سولفوریک اسید (به عنوان منبع اسید) و گرافیت (به عنوان منبع کربن) عمل می‌کند. این ماده در اثر حرارت به طور طبیعی منبسط شده و نیازی به عامل پف‌زا ندارد.
4) سیستم‌های هم‌افزا
این سیستم‌ها به دو دسته طبقه بندی می‌شوند: نوع اول کندکننده حریق نیست ولی می‌تواند با دیگر انواع کندکننده‌های حریق عمل نماید تا کندکنندگی حریق‌شان را بهبود دهد. به عنوان مثال اکسید آنتیموان که به عنوان یک هم‌افزا برای آلکان‌های هالوژنه شناخته می‌شود. حالت دوم به این صورت است که دو یا تعداد بیشتری کندکننده حریق با یکدیگر واکنش داده تا کندکنندگی حریق کلی مواد بهبود یابد. برای مثال خاک رس مونت موریلونیت (MMT) می‌تواند به عنوان هم‌افزا برای جاذب‌های گرما و کندکننده‌های حریق متورم شونده استفاده شود. این ماده می‌تواند دو اثر متضاد بر روی کامپوزیت داشته باشد: اثر ممانعتی که مونت موریلونیت با تشکیل لایه زغالی کربنی- سیلیکاتی در سطح، مواد زیرین را از حرارت محافظت نموده و اثر کاتالیزوری که با تخریب ماتریس پلیمری، پایداری حرارتی را کاهش می‌دهد. بر اساس مطالعات انجام شده، اضافه کردن مونت موریلونیت به مقدار کم باعث اثر ممانعتی شده، حال آنکه افزودن مقدار زیاد آن منجر به اثر کاتالیزوری می‌شود.
نظرات کاربران