المواد العازلة للحرارة

ما هي المواد العازلة للحرارة؟

تتعدد المواد المستخدمة في العزل الحراري، وتتكون بشكل أساسي من مواد ليفية ضخمة منها ما هو طبيعي، ومنها ما يتم تصنيعه، وهي مواد تمتاز بموصلية قليلة للحرارة كما أنها تمنع التدفق الحراري بالحمل الحراري في تجاويف المباني خاصة، بحيث تحتوي ألواح العزل الحراري على غاز محبوس بداخلها على الأغلب يمتاز بأنه مقاوم لانتقال الحرارة من خلاله، كما يتم استخدام رقائق عاكسة تمنع وصول الحرارة إلى الداخل مما يجعلها شائعة الإستخدام في مناخات التبريد،^[١] وفيما يأتي توضيح أشهر المواد العازلة للحرارة:^[١]

الألياف الزجاجية

تعدّ الألياف الزجاجية (fiber glass) من أكثر مواد العزل الحراري شائعة الاستخدام، وتتكون من ألياف زجاجية دقيقة للغاية وهي على نوعين: ألياف البطانية والتي توجد على شكل لفائف، وألياف التعبئة وتتوفر على شكل ألواح صلبة، ويتم استخدام كلا النوعين في تطبيقات تعتمد على المساحة المتوفرة ومكان العزل، حيث يتم تصنيع الألياف الزجاجية بكثافات متوسطة وعالية تعتمد أيضًَا على المساحة الخاصة بالعزل الحراري، إذ يتم استخدام الألياف ذات الكثافة العالية في عزل المساحات ذات الفراغات المحدودة، ويتم تصنيع الألياف الزجاجية العازلة للحرارة عن طريقصهر الزجاج ومن ثم نفخه في ألياف عن طريق آلة نفخ العازل.^[١]

الصوف المعدني

يعد الصوف المعدني (Mineral wool) أحد أنواع العوازل الحرارية وهو مادة غير معدنية وغير عضوية ويتم تصنيعه من مزيج من المواد الخام بعناية، ويتألف بشكل رئيسي من الحجر أوالسيليكا بحيث يتم تسخينها إلى درجة حرارة عالية جدًَا تجعلها تنصهر ليتم بعد ذلك غزل هذا الحجر المصهور أو السليكا ليتم تشكيل قطعة ليفية مرنة تمتلك خصائص عازلة للحرارة بسبب التركيبة الكيميائية للصوف المعدني الذي يعد خاملًا، كما أن الألياف تعمل على منع حركة الهواء، وتعتمد آلية العزل في الصوف المعدني على منع الحمل الحراري عن طريق حبس الهواء الذي يمتلك توصيلًَا حراريًَا قليلًا في الخلية المفتوحة للمادة.^[٢]

ويعد الصوف المعدني مادة متعددة الاستخدامات وذلك عن طريق انتقال الموجات الصوتية في الهواء، حيث إنه عند دخول الموجات الصوتية إلى جسم الصوف الصخري تعمل قوة الاحتكاك بين هذه الموجات وجزيئات الهواء في الممرات الضيقة على تبديد الطاقة الموجودة في الموجات الصوتية وتحويلها إلى حرارة، ويتم استخدامه فيما يأتي:^[٢]

• العزل المنفوخ للجدران المجوفة، ألواح الجدران.
• اللفائف لعزل الأدوار العلوية من خلال أقسام الأنابيب المشكلة مسبقًا والموجّهة.
• بلاط الأسقف وألواح العزل الصوتي التي تتحكم في الضوضاء.

السليلوز

يعد العزل الحراري باستخدام السليلوز (Cellulose) طريقة ذكية وبديلة للألياف الزجاجية حيث إنه أقل تكلفة ولا ينتج عن تصنيعه مواد سامة مما يجعله أحد المواد العازلة للحرارة في البناء التي تمتاز بكونها صديقة للبيئة، ويتم معرفة كفاءة مادة العزل الحراري عن طريقالتوصيلية الحرارية للمادة والتي يرمز لها بالرمز(R)؛ حيث إن العلاقة بين العزل والموصلية الحرارية علاقة عكسية إذ تزداد كفاءة العزل بقلة قيمة الموصلية للمادة العازلة، ويعد السيليلوز عازلًا حراريًَا جيدًا، كما يتم فقد الحرارة من المنزل المعزول عن طريق عملية التوصيل الحراري، وعلى الرغم من أن السيليلوز يعدّ مانعًا جيدًا للهواء إلا أنه يتم فقد جزء من الحرارة عن طريق الحمل الحراري أيضًَا.^[٣]

الألياف الطبيعية

الألياف الطبيعية (natural fibers)، هي عبارة عن مواد شبيهة بالشعر، يتم الحصول عليها من مصادر طبيعية، بحيث يتم تحويلها إما إلى أقمشة غير منسوجة مثل اللباد أو الورق، أو يمكن غزل هذه الخيوط وتحويلها إلى أقمشة منسوجة، ويتم تعريف الألياف الطبيعية على أنها كتلة من الخلايا التي تمتلك قطرًا صغيرًَا مقارنة مع طولها.^[٤]

ويوجد في الطبيعة العديد من المواد الليفيّة التي يمكن استخدامها في العزل الحراري، مثل المواد السيليلوزية التي تتضمن القطن، الخشب، الحبوب والقش، إلا أنه لا يتم استخدامها جميعها في صناعة النسيج وتطبيقات العزل؛ وذلك لأن صناعة النسيج تتطلب خصائص مهمّة مثل: الطول، القوة، المرونة، مقاومة التآكل، الامتصاص وخصائص السطح المختلفة، وتكون معظم ألياف النسيج رفيعة ومرنة وقوية نسبيًا،^[٤] ويتم الحصول على الألياف الطبيعية من مصادر حيوانية أو نباتية، وفيما يأتي توضيح أنواع الألياف الطبيعية التي يتم استخدامها في تطبيقات العزل الحراري:

القطن

القطن (Cotton)، هو عبارة عن سيليلوز نقي يمتاز بنعومته الفائقة وقابليته للتهوية، وهو أشهر الألياف الطبيعية في العالم، ويمتاز بصغر قطر أليافه بالنسبة إلى طولها، ولدى القطن قابلية عالية لامتصاص الرطوبة، مما يجعله مرغوبًَا في صناعة الملابس التي يتم ارتداؤها في الطقس الحار، كما يمتلك خصائص مرونة عالية في المحاليل التي تحتوي على الصابون مما يسهّل عملية غسلها، ولهذا فإن القطن يعد أكثر الألياف الطبيعية استخدامََا في العالم وهو الأفضل في عالم صناعة المنسوجات بلا منازع.^[٥]

صوف الخراف

يتكون صوف الخراف (sheep wool) من ألياف مجعدة تساعد على تشكيل عدد كبير من الجيوب الهوائية بداخلها مما يوفر حاجزًَا حراريًَا يعمل على عزل الجسم حراريًا عن البيئة المحيطة به، ويتميّز صوف الخراف بالعديد من الميزات التي تجعل منه منتجًَا هامًَا في عالم العزل الحراري،^[٦] ومن مميزات صوف الخراف ما يأتي:^[٦]

• صوف الخراف يعمل على تنقية الهواء: حيث إنه يتكون من بروتين طبيعي يعمل على امتصاص المواد الضارة ومعادلتها، لذا فإن استخدام صوف الخراف له فوائد صحية ويخلق مناخًا داخليًا جيدًا.
• صوف الخراف لديه قدرة عالية على امتصاص الرطوبة: حيث إنه قادر على امتصاص (33%) من وزنه دون أن تتأثر كفاءته في العزل الحراري.
• صوف الخراف يوفر عزلََا صوتيََا جيدًَا: حيث يتم استخدامه في المدارس وقاعات الإجتماعات.
• صوف الخراف محمي من الحرق: وذلك لاحتواء الصوف على كمية كبيرة من النيتروجين.
• صوف الخراف لا يسبب حساسية الجلد أو الحكة: وهذا ما يجعله مستخدمًَا في إنتاج الملبوسات.
• صوف الخراف يمتاز بأنه مستدام: حيث إنه دائم التجدد ولا يحتاج طاقة كبيرة من أجل تصنيعه، وبالمقارنة مع تصنيع الصوف الزجاجي فإن صوف الخراف يستهلك (15%) فقط من الطاقة المستخدمة في تصنيع الصوف الزجاجي.

القش

لا بدّ من الظغشارة إلى أنه قد تم استخدام القش (Straw) في البناء قبل (150) عامًَا في السهول الكبرى في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث كانت تتم عملية صهر القش وتشكيلها في ألواح بسماكة تتراوح بين (5 - 102) ملليمتر دون استخدام مواد لاصقة وذلك في الثلاثينيات، ويتم استخدامها حاليًا من خلال تغطيتها بورق كرافت من الجهتين، إذ يتم استخدام هذه الألواح في تطبيقات العزل الصوتي، كما تقوم بعض الشركات بتطوير ألواح هيكليةََ معزولة من ألواح قش مضغوطة ومتعددة الطبقات.^[١]

البوليسترين

البولسترين (Polystyrene)، هو مادة بلاستيكية متعددة الاستخدام تدخل في العديد من الصناعات مثل التغليف، وحين دمجها مع مواد أخرى يتم استخدامها في تصنيع الأجهزة الإلكترونية، قطع غيار السيارات وألعاب الأطفال، وتتم عملية صناعة البولسترين عن طريق عملية بلمرة لمادة الستايرين، حيث يُعرف الستايرين بأنه مادة كيميائية أساسية تستخدم في تصنيع العديد من المنتجات ويمكن الحصول عليها بشكل طبيعي من بعض الأطعمة مثل الفراولة، القرفة، القهوة ولحم البقر.^[٧]

وهناك ما يسمى بالبولسترين الموسِّع أو البولسترين المبثوق وهو مادة رغوية يتم تصنيع مادة البولسترين بداخلها، ويمتاز بوجود نسبة عالية من الهواء بداخله تقدّر بحوالي (95%) مما يجعله عازلًا حراريًَا مميزًا يتم استخدامه في عزل الأجهزة المنزلية، ألواح التزلج على الأمواج، تغليف المواد الغذائية وأنظمة تثبيت الطرق.^[٧]

البولي أيزوسيانورات

يتم تصنيع رغوة تتكون من البولي أيزوسيانات ((Polyurethanes (PU) مع البوليول وتحدد نسبة الخلط بين هاتين المادتين التطبيق الذي سيتم استخدام هذه الرغوة فيه، وهي مادة محسّنة عن الإيزوسيانورات وحدها ويشار إليها بعوازل (PIR)، وتختلف هاتين الرغوتين العازلتين عن بعضهما البعض في تحسينات تتعلق بثبات الأبعاد ومقاومة اللهب والاستقرار الحراري، ويتم تصنيع هذه العوازل بأشكال مختلفة بحسب التطبيق الذي يحتاج لعملية العزل، إذ تستخدم عوازل الأيزوسيانورات في أنظمة تكييف الهواء والتبريد والأغذية والمشروبات والأدوية، البتروكيماويات والغاز الطبيعي المسال وعزل الأنابيب والأوعية.^[٨]

كما يستخدم أيضًا كمواد أساسية للألواح المركبة في تطبيقات مثل النقل وبناء المباني والملاجئ المتنقلة المؤقتة، يمتاز عازل البولي الأيزوسيانورات بكثافته المنخفضة، مقاومة الضغط الجيدة، محتوى الخلايا المغلقة العالي، امتصاص الماء المنخفض، نفاذية بخار الماء المنخفضة وأداء اللهب والدخان الممتاز مما يجعل عازل البولي أيزوسيانورات عازلًا جذابًَا.^[٨]

البولي يوريثين

يتكون البولي يوريثين (Polyurethane) من خلايا تحتوي بداخلها على غاز منخفض التوصيل الحراري، ويحتوي هذا النوع من العوازل على نوعين من الخلايا بداخله، خلايا مغلقة عالية الكثافة وتحتوي على الغاز بداخلها والذي يساعدها على التمدد وملء الفراغات حولها، وخلايا مفتوحة قليلة الكثافة ولا تحتوي على الغاز والذي يعطي عازل البولي يوريثين ملمسًَا إسفنجيًا وقيمة توصيل حراري أقل.^[١]

كما توجد عوازل البولي يوريثين على أشكال متنوعة، فمنها ما يتم استخدامه كرغوة مرشوشة على السطح المراد عزله، ومنها ما يتم تصنيعه على شكل ألواح رغوية عازلة ولكن الألواح أكثر تكلفة من الرش، ويمتاز العزل بالرش بأنه يتشكل بشكل السطح الذي تم رشه عليه، ويتم استخدام تقنية العزل هذه في تجاويف المنازل القائمة.^[١]

الفيرميكوليت والبيرلايت

يتم استخدام الفيرميكوليت والبيرلايت (Vermiculite and perlite) في عزل الأبنية الإسمنية، بحيث يتم خلط هاتين المادتين بنسب معينة بديلًا عن الرمل معالإسمنت؛ وذلك ليصبح أقل وزنًَا وأكثر عزلًا للحرارة، بحيث يتميز الفيرميكوليت بتوصيله الحراري المنخفض ونقطة انصهاره المرتفعة أي أنه مقاوم جيّد للحريق، كما يحتوي البيرلايت على نسبة عالية من الماء، ويمتاز ببنية مسامية وامتصاص عالي للماء، تمدد كبير، كثافة منخفضة وعزل حراري جيد، إلا أن استبدال الفيرميكوليت بالرمل يؤدي إلى تقليل مقاومة الانضغاط للخرسانة من (5 -10)٪، وغالبًا ما يتم خلط الفيرميكوليت مع البولسترين لإنشاء ألواح خفيفة الوزن ذات خصائص عزل محسّنة.^[٩]

ومن الجدير ذكره أن استخدام البيرلايت أدى إلى تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة حيث إن إضافتها إلى الخرسانة أدى إلى تحسين الموصلية الحرارية والمتانة الكلية للخرسانة، وعلى هذا يتم خلط الفيرميكوليت الموسع والبيرلايت في تصميم خليط الخرسانة ليتم تشكيل خرسانة العزل الحراري في الأبنية.^[٩]

رغوة اليوريا فورمالدهايد

تستخدم رغوة اليوريا فورمالدهايد (Urea-formaldehyde (UF) foam) في عزل الأبنية قديمًَا إلا أن مجال استخدامها في البناء السكني قد توقف؛ ويعود ذلك إلى انبعاثات الفورمالديهايد وانكماش الرغوة حيث يستخدم الهواء المضغوط كعامل رغوة، كما يتم استخدام غاز النيتروجين في معالجة اليوريا فورمالدهايد لعدة أسابيع؛ وذلك لتصبح غير قابلة للتمدد على عكس مادة البولي يوريثين، ويمكن لبخار الماء أن يمر خلال رغوة اليوريا فورمالدهايد بسهولة، ومن الجدير ذكره أن مادة العزل هذه غير مقاومة للحريق، ويتم استخدام رغوة اليوريا فورمالدهايد في عزل المباني التجارية والصناعية في الوقت الحالي.^[١]

الرغوة الاسمنتية

يتم تصنيع الرغوة الاسمنتية (Cementitious Foam) والتي تتكون بشكل أساسي من الإسمنت من المعادن المستخرجة من مياه البحر مثل أكسيدالمغنيسيوم، وتكلفتها مقاربة لتكلفة رغوة البولي يوريثان، وتمتاز الرغوة الإسمنتية بأنها مادة عازلة غير سامة كما أنها رغوة غير قابلة للاشتعال، وقد يتم تصنيعها على شكل رغوة مرشوشة تُعرف باسم (air krete)، عادة ما يتم استخدام رغوة الرش الإسمنتية التي تحتوي على سيلكات المغنيسيوم، حيث تتميز بقوام مشابه لقوام كريم الحلاقة في عزل التجاويف، بحيث يتم رش هذه الرغوة في التجاويف المغلقة لعزلها.^[١]

رغوة الفينول

تحتوي رغوة الفينول (Phenolic (phenol-formaldehyde) foam) على نسبة عالية من الخلايا المغلقة الدقيقة، وتمتاز رغوة الفينول بخصائص توصيل حراري منخفضة جدًَا مما يجعلها أفضل من العوازل الحرارية الأخرى بحيث تتيح رغوة الفينول عزلًا حراريًَا أكثر كفاءة بمقدار (50%) من مواد العزل الأخرى، مما يجعلها تقوم بوظائف العزل الحراري المحددة بسمك أقل، مما يجعلها أيضًا تستخدم بشكل كبير في التطبيقات التي تهتم بتوفير المساحة،^[١٠] ومن المميزات الهامة لرغوة الفينول ما يأتي:^[١٠]

• خفيفة الوزن وسهلة النقل والتعامل والتركيب.
• مقاومة لنمو الفطريات والعفن ولا توفر بيئة ملائمة لنمو الحشرات عليها.
• تتحمل درجات الحرارة العالية إذ تصل قدرة تحمّلها إلى (120) درجة مئوية.
• مقاومتها للرطوبة وذلك لأن معظم محتواها من الخلايا المغلقة التي لا تسمح باختراق الرطوبة خلالها إلا في حال حدوث ثقب، حيث ستكون الرطوبة حينها في المنطقة المتضررة المثقوبة، ولن يتم التأثير على النظام ككل من تأثير الرطوبة.
• غير قابلة للتحلل الحيوي مما يعني إمكانية استخدامها مرة أخرى من خلال إعادة تدويرها.

كسوات العزل

يتم تثبيت واجهة عازلة فوق مواد العزل أثناء عملية التصنيع حيث تعمل كسوات العزل (Insulation Facings) على عزل المادة العازلة وحمايتها، كما تسهّل عملية تثبيتها، ويمكن أن تعمل كسوات العزل كحاجز هوائي أو حاجز مشع أو حاجز بخار ومن الممكن أن يقوم بهذه الوظائف كلها معًَا، وتمتاز بعض كسوات العزل بأنها مقاومة لللهب أيضًا، ومن أشهر المواد المستخدمة في كسوات العزل هي: ورق الكرافت، أغطية الفينيل البيضاء ورقائقالألومنيوم، بحيث يتم استخدام هذه المواد كحواجز هوائية أو بخارية، إذ تستخدم رقائق الألمنيوم في تصميم الحواجز المشعة، وما يحدد نوع المادة المستخدمة في كسوات العزل هو:المناخ، مكان تثبيت العزل ونوع الواجهة.^[١١]

تعد المواد العازلة للحرارة موادًَا هامةََ جدًَا تمنع انتقال الحرارة بين الأوساط المختلفة وتحافظ على الحرارة الداخلية للجسم المعزول، وتستخدم في عزل الأبنية وأنظمة التبريد والتكييف والعديد من المجالات الحياتية المختلفة، ومن العوازل الحرارية ما يأتي من مصادر طبيعية مثل السيليلوز والقطن، ومنها ما يتم تصنيعه مثل الرغوة الإسمنتية، رغوة الفينول والألياف الزجاجية.

لماذا تعدّ المواد العازلة للحرارة مهمة في التطبيقات اليومية؟

تعد المواد العازلة للحرارة موادََا هامة في العديد من التطبيقات الحياتية المختلفة؛ لأنها تمتلك خصائص توصيل حراري رديئة وتمنع انتقال الحرارة من وسط إلى آخر، ويتم عزل الأجسام أو الأبنيه وغيرها من الطبقات التي تحتاج إلى عملية عزل حراري عن طريق المزج بين خاصيتين مهمتين للعزل هما: قدرة المواد العازلة الطبيعية على العزل الحراري بحيث تمنع هذه المواد انتقال الحرارة عبرها، واستخدام جيوب الغازات المحاصرة، وذلك لأنالغازات بشكل عام تمتلك خواص توصيل حراري رديئة مقارنة في المواد الصلبة والسائلة فعند احتجاز الهواء مثلََا في خلايا صغيرة فإنه يشكل عازلًا طبيعيًّا جيدًَا يمنع انتقال الحرارة.^[١٢]

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ د} "Insulation Materials", www.energy.gov, Retrieved 13/12/2020. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "What is Mineral Wool?", mima.info, Retrieved 13/12/2020. Edited.
3. ↑ "CELLULOSE INSULATION – A SMART CHOICE", bct.eco.umass.edu, Retrieved 13/12/2020. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "Natural fibre", www.britannica.com, Retrieved 13/12/2020. Edited.
5. ↑ "Profiles of 15 of the world's major plant and animal fibres", www.fao.org, Retrieved 13/12/2020. Edited.
6. ^ ^{أ ب} "The advantages of sheep wool insulation", www.thegreenage.co.uk, Retrieved 13/12/2020. Edited.
7. ^ ^{أ ب} "Polystyrene", www.chemicalsafetyfacts.org, Retrieved 13/12/2020. Edited.
8. ^ ^{أ ب} "Insulation Materials: Polyisocyanurates", insulation.org, Retrieved 13/12/2020. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "Performances of vermiculite and perlite based thermal insulation lightweight concretes", www.researchgate.net, Retrieved 13/12/2020. Edited.
10. ^ ^{أ ب} "Phenolic", www.wbs-ltd.co.uk, Retrieved 14/12/2020. Edited.
11. ↑ "insulation facing", www.daviddarling.info, Retrieved 14/12/2020. Edited.
12. ↑ "Insulation materials and their thermal properties", www.greenspec.co.uk, Retrieved 13/12/2020. Edited.