بررسی اجمالی الیاف سرامیکی نسوز

این مقاله به بررسی الیاف سرامیکی نسوز می‌پردازد که الیاف آلومینوسیلیکاتی آمورف، معدنی و مصنوعی هستند. الیاف سرامیکی نسوز جزو دسته‌ای از مواد به نام الیاف شیشه‌ای مصنوعی تعلق دارند. از دیگر محصولات این گروه می‌توان به پشم شیشه (glass wool)، پشم سنگ (rock wool)، پشم سرباره (slag wool)، پشم معدنی (mineral woo) و الیاف شیشه‌ای با کاربرد خاص (special-purpose glass fiber) اشاره نمود.

کاربردهای محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز

مهم‌ترین کاربردهای محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز، استفاده از آن‌ها در تجهیزات عملیات حرارتی و کوره‌های صنعتی به‌عنوان اجزاء سازنده و عایق کننده است. محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی سبک بوده و به راحتی قابل حمل هستند. همچنین در کاربردهای مختلف تحمل حرارتی بالایی داشته، شوک‌های حرارتی را به‌خوبی تحمل کرده، مقاومت شیمیایی بالایی داشته و هدایت حرارتی پایین و درنتیجه اتلاف حرارت کمی دارند. محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی معمولاً در کاربردهای تجاری که به عایق سبک وزنی نیاز دارند که قادر به مقاومت در برابر درجه حرارت بالا باشد، مانند لایۀ عایق و سطح داغ داخلی انواع کوره‌ها، لایۀ محافظ در برابر آتش و همچنین سیستم‌های اگزوز خودرو استفاده می‌شوند.

الیاف سرامیکی نسوز

الیاف سرامیکی نسوز

پتوهای ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز در ابعاد، تراکم، درجه‌بندی و درجات مختلف تحمل حرارتی موجود است.

مهم‌ترین صنایع استفاده‌کننده از الیاف سرامیکی نسوز

محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی در صنایع مختلفی که در آن‌ها دمای بالا استفاده می‌شود، کاربرد دارند. برخی از این صنایع عبارتند از: صنایع فرآوری انواع فلزات، صنایع عملیات حرارتی، صنایع شیشه و سرامیک، صنایع مواد شیمیایی و پتروشیمی، صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، صنایع تولید برق و حتی صنایع لوازم خانگی.

حداکثر دمای کاربردی الیاف سرامیکی نسوز

حداکثر دمای کاربردی الیاف سرامیکی نسوز در اتمسفرهای مختلف متفاوت است. جایگزینی کامل نسوزهای متراکم با الیاف سرامیکی نسوز (درصورت امکان اجرائی) بیشترین صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به‌همراه خواهد داشت. لیکن، استفاده از الیاف سرامیکی نسوز به‌عنوان لایۀ دوم عایق یا به‌عنوان روکش نسوز موجود در سطوح داغ نیز صرفه‌جویی خوبی در مصرف انرژی ایجاد می‌نماید.

انواع الیاف سرامیکی نسوز

1. الیاف سرامیکی نسوز با خلوص بالا

الیاف سرامیکی نسوز الیاف مصنوعی هستند که از مذاب کائولن یا ترکیبی از آلومینا (Al2O3)، سیلیکا (SiO2) یا سایر اکسیدها معمولاً در نسبت وزنی 50:50 از طریق فرآیندهایی همچون دمش از مذاب یا ریسندگی از مذاب تولید می شوند. متداول‌ترین نوع الیاف نسوز سرامیکی که توسط اکثر سازندگان و تامین‌کنندگان آمریکایی ارائه می‌شود، از نوع الیاف سرامیکی نسوز با خلوص بالا هستند که حداکثر تحمل دمایی در حدود 1260 درجه سانتی‌گراد و حداکثر دمای کاری مداوم 1180 درجه سانتی‌گراد دارند.

2. الیاف سرامیکی نسوز زیرکونیایی

الیاف سرامیکی نسوز زیرکونیایی گرید دمابالاتری از الیاف سرامیکی نسوز هستند که متداول‌ترین نوع آن‌ها حاوی حدود 15 درصد ZrO2 بوده و حداکثر تحمل دمایی آن‌ها به حدود 1427 درجه سانتیگراد و حداکثر دمای کاری مداوم آن‌ها به 1343 ارتقاء یافته است. قیمت این نوع الیاف سرامیکی نسوز کمی بیشتر از الیاف سرامیکی خلوص بالا می‌باشد.

3. پشم سیلیکات قلیایی خاکی

یکی دیگر از انواع الیاف سرامیکی نسوز که با بدن انسان سازگاری بیشتری دارد، پشم سیلیکات قلیایی خاکی نامیده می‌شود که حاوی الیاف آمورفی است که از ترکیب CaO، MgO و SiO2 ساخته شده است. محصولات ساخته شده از پشم سیلیکات قلیایی خاکی حداکثر تحمل دمایی در حدود 1260 درجه سانتی‌گراد و حداکثر دمای کاری مداوم 1150 درجه سانتی‌گراد دارند و تحمل حرارتی آن‌ها کمی کم‌تر از الیاف استاندارد خلوص بالاست. اکسیدهای کلسیم و منیزیم موجود در ترکیب این نوع الیاف نسوز باعث می‌شود با بدن و ریۀ انسان سازگاری بیشتری داشته باشند.

محصولات ساخته شده از الیاف سیلیکات‌های قلیایی خاکی مقاومت شیمیایی کم‌تری داشته و بیشتر مستعد تبلور مجدد هستند و لذا در مهندسی فرآیندهای عملیات حرارتی کاربردهای محدودتری دارند. گرچه دمای کارکرد مداوم الیاف سیلیکات‌های قلیایی خاکی 1150 درجۀ سانتی‌گراد تعیین شده است، اصلی‌ترین کاربرد محصولات ساخته شده از این الیاف در صنایع لوازم خانگی و سایر فرآیندهای صنعتی است که در آن‌ها حداکثر دما از 1100 درجۀ سانتی‌گراد تجاوز نمی‌نماید. 

4. پشم‌های پلی‌کریستالین

پشم‌های پلی‌کریستالین نوع دیگری از الیاف نسوز سرامیکی هستند که دمای کاربردی بالاتری دارند. پشم‌های پلی‌کریستالین از الیاف حاوی بیش از 63 درصد وزنی Al2O3 و کم‌تر از 37 درصد وزنی SiO2 تشکیل شده‌اند. اغلب تولیدکنندگان پشم‌های پلی‌کریستالین، این الیاف را از روش ریسندگی از محلول سل-ژل تولید می‌کنند؛ در ادامه الیاف خام تولیدشده به این روش طی یک عملیات حرارتی ویژه کریستالیزه شده و ادامۀ فرآیند نیز مانند فرآیند تولید محصولات مختلف از الیاف نسوز سرامیکی خلوص بالا و پشم سیلیکاتی قلیایی خاکی انجام می‌پذیرد. پشم‌های پلی‌کریستالین حداکثر تحمل دمایی در حدود 1800 درجه سانتی‌گراد و حداکثر دمای کاری مداوم 1650 درجه سانتی‌گراد دارند.

بررسی اجمالی الیاف سرامیکی نسوز (بخش دوم)

پشم عایق دما بالا

جدول 1: خواص فیزیکی و شیمیایی پشم های مختلف عایق دما بالا

خواص فیزیکی و شیمیایی پشم های مختلف عایق دما بالا

 

دلیل کم‌تر بودن حداکثر دمای کارکرد مداوم نسبت به حداکثر تحمل دمایی در انواع الیاف سرامیکی نسوز

 

توجه داشته باشید که حداکثر دمای واقعی استفاده مداوم برای الیاف سرامیکی نسوز به طور کلی حداقل ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد (بارعایت حاشیۀ امن) زیر حداکثر تحمل دمایی یا طبقه‌بندی دمایی است. این موضوع به این دلیل است که تعیین طبقه‌بندی دمایی در شرایط ایده‌آلی انجام می‌شود که طی آن الیاف در اتمسفرخنثی مورد آزمایش قرارگرفته و زمان قرارگیری آن‌ها در معرض دمای بالا نسبتاً کوتاه است (۲۴ ساعت) ، درحالی که همین محصولات هنگام استفاده در محل واقعی مصرف، نه تنها در معرض دماهای بالا بلکه در معرض تنش‌های شیمیایی و فیزیکی مازاد قرار می‌گیرند که اغلب از شرایط ایده‌آل فاصله داشته و به همین دلیل حداکثر دمای کارکرد مداوم را محدود می‌کنند (شکل ۱).

مقایسه ی عایق های حرارتی
شکل 1: فراوانی استفاده و محدودۀ دمایی مشترک برای کاربرد انواع پشم‌های عایق دمابالا

الیاف سرامیکی نسوز که قبلا توصیف شد، در برخی از کاربردها می‌تواند به‌طور مستقیم و به‌صورت فله نیز استفاده شوند؛ لیکن عمدتاً به اشکال فیزیکی دیگری از قبیل پتو، مدول، کاغذ، تخته، قطعات شکل‌داده شده با خلاء، پارچه، فوم، بتونه، ملات، چسب و پوشش، تبدیل شده و سپس به‌کار گرفته می‌شوند. این تغییر شکل الیاف سرامیکی نسوز می‌تواند در محل تولید این الیاف، در کارگاه‌‌های میانی و یا در محل استفادۀ نهایی صورت پذیرد (شکل 2).

محصولات ساخته شده از الیاف سرامیکی دمابالا

شکل 2: مهم‌ترین محصولات ساخته شده از پشم عایق دمابالا

روش تولید پتوهای سرامیکی

پتوهای ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز طی یک فرآیند نمدمالی از دوغاب حاوی الیاف سرامیکی نسوز تولید می‌شوند. طی این فرآیند، به هم پیوستگی الیاف سرامیکی نسوز و لایه‌های نمدی ایجاد شده در پتوی حاوی الیاف سرامیکی نسوز، از طریق سوزنکاری از هر دو طرف حاصل شده و سپس در خشک‌کن‌های پیوسته خشک شده و در انتهای فرآیند، پتوهایی با تخلخل بالا، فاقد چسب، با انعطاف‌پذیری استحکام خوب در حین حمل و نقل، به‌دست می‌آیند.

انواع پتوهای سرامیکی

پتوهای ساخته‌شده از الیاف سرامیکی نسوز در ابعاد، ضخامت‌ها، تراکم‌ها، و گریدهای مختلف دمایی تولید می‌شوند. پتوهای ساخته شده از الیاف استاندارد (الیاف سرامیکی نسوز و پشم سیلیکاتی قلیایی خاکی)، در تراکم‌های چهار، شش، و هشت پوند (در هر فوت مکعب)، عرض ۱۲، ۲۴، و ۴۸ اینچ، و ضخامت از یک‌هشتم تا دو اینچ ارائه می‌شود. اندازه ها و اشکال خارج از استاندارد اغلب سفارشات خاصی هستند که قابلیت‌های ویژه‌ای داشته و تا عرض ۶۰ اینچ تولید می‌شوند.

روش تولید و مصرف پتوهای سرامیکی پشم مرطوب

پتوهای سرامیکی پشم مرطوب یک محصول منحصر به فرد است که در برای تولید آن ابتدا پتوی استاندارد تولید شده از الیاف سرامیکی نسوز فاقد چسب را در محلول چسبی آب‌پایه خیسانده و سپس آن را در یک کیسۀ پلی‌اتیلنی شفاف بسته‌بندی می‌کنند تا رطوبت آن در حین حمل و نقل و انبارش از دست نرود. با این روش عایق انعطاف‌پذیری تولید می‌شود که می‌تواند در محل مصرف به صورت اشکال پیچیدۀ مورد نیاز شکل داده شده و در معرض هوا خشک شده و در نهایت ساختاری سخت و محکم را ایجاد نماید. همچنین عمل‌آوری این نوع محصولات را می‌توان با قراردادن در معرض دمای بالا در محل مصرف، انجام داد. پتوهای سرامیکی پشم مرطوب دارای چگالی خشک در محدودۀ 12 تا 18 Lbs/ft3 می‌باشند.

پتوهای سرامیکی فویل‌پیچ شده

محصول دیگری که در بازار متداول است پتوهای ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوزی است که در یک لایه فویل پیچیده شده‌اند. نقش فویل در این گروه از محصولات بهبود مقاومت دربرابر سایش و رطوبت و همچنین کاهش ریزش الیاف آزاد می‌باشد. پتوهای فویل‌پیچ شده معمولا در صنایع لوازم خانگی، خودروسازی، تعمیر دودکش‌ها و آب‌بندی واشرها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پتوهای ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز با فویل و بدون فویل فلزی

پتو نسوز سرامیکی با روکش آلومنیوم