" Tata Motors साठी - ऑटोमोटिव्ह अनुप्रयोगासाठी हलक्या वजनाच्या फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेलची निर्मिती व प्रायोगिक तपासणी - दिपक लिंबाजी राठोड"

 

संशोधन पेपर

मराठी शीर्षक -

" Tata Motors साठी - ऑटोमोटिव्ह अनुप्रयोगासाठी हलक्या वजनाच्या फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेलची निर्मिती व प्रायोगिक तपासणी - दिपक लिंबाजी राठोड"

भारतात लाल परी ( Bus ), Tata etc Strong Metal वाल्या गाड्या उन्हाळ्यात खूप गरम होत आहेत, जर माझी ही यंत्रणा वापरली तर उन्हाळा मधे गाड्या अजून कमी प्रमाणात तापतील आणि आपण बदलत्या वातावरण मधे आजारी पडण्या पासून वाचू 
✍🏻 दिपक लिंबाजी राठोड✍🏻

*English Title:*

*Development and Experimental Investigation of a Lightweight Fibre-Reinforced Epoxy Composite Thermal Insulation Panel for Automotive Applications in Tata Motors*

सारांश (Abstract)

उच्च वातावरणीय तापमान आणि सूर्यप्रकाशाच्या थेट किरणांमुळे वाहनाच्या केबिनमध्ये मोठ्या प्रमाणात उष्णता निर्माण होते. त्यामुळे प्रवाशांच्या आरामावर परिणाम होतो तसेच केबिनचे तापमान कमी करण्यासाठी वाहनाच्या वातानुकूलन यंत्रणेवर अतिरिक्त भार येतो. सध्या वाहनांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या पारंपरिक उष्णतारोधक पदार्थांमध्ये पॉलीयुरेथेन फोम, पॉलीथिलीन फोम, ग्लास फायबर आणि इतर पॉलिमर-आधारित पदार्थांचा समावेश होतो. मात्र कमी वजन, कमी उष्णता चालकता, पुरेशी यांत्रिक ताकद, कमी जलशोषण आणि दीर्घकालीन टिकाऊपणा हे सर्व गुणधर्म एकाच पदार्थामध्ये मिळवणे हे एक आव्हान आहे.

या संशोधनामध्ये वाहनांसाठी हलक्या वजनाचे फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेल विकसित करण्याचा प्रस्ताव मांडण्यात आला आहे. या संमिश्रामध्ये इपॉक्सी रेजिनचा मॅट्रिक्स म्हणून, फायबरचा मजबुतीकरणासाठी आणि कमी घनतेच्या उष्णतारोधक फिलरचा उष्णता संक्रमण कमी करण्यासाठी वापर करण्यात येईल. प्रस्तावित संमिश्राच्या विविध मिश्रणांवर घनता, उष्णता चालकता, उष्णता प्रतिरोध, तन्य सामर्थ्य, वाकणारे सामर्थ्य, जलशोषण आणि उष्णता स्थिरता या गुणधर्मांची तपासणी केली जाईल.

ASTM C518 मध्ये Heat Flow Meter पद्धतीने स्थिर-अवस्थेतील उष्णता संक्रमणाचे मापन केले जाते, तर ASTM E1530 ही 25 mm पेक्षा कमी जाडीच्या पातळ नमुन्यांच्या Thermal Resistance च्या मूल्यांकनासाठी उपयुक्त पद्धत आहे.

प्रस्तावित संमिश्रातून कमी वजन, कमी उष्णता चालकता आणि समाधानकारक यांत्रिक सामर्थ्य यांचा योग्य समतोल साधला जाऊ शकतो. त्यामुळे वाहनाच्या छतासाठी, दरवाजासाठी, फ्लोअरसाठी, डॅशबोर्ड परिसरासाठी आणि इंजिन-कंपार्टमेंटच्या उष्णतारोधक वापरासाठी या पॅनेलचा संभाव्य उपयोग होऊ शकतो.

मुख्य शब्द: फायबर-प्रबलित संमिश्र, इपॉक्सी रेजिन, उष्णतारोधक पॅनेल, ऑटोमोटिव्ह, हलके वजन, उष्णता चालकता, सिरेमिक मायक्रोस्फिअर्स, सिलिका एरोजेल.

1. प्रस्तावना (Introduction)

आधुनिक वाहने विविध वातावरणीय परिस्थितींमध्ये वापरली जातात. विशेषतः उन्हाळ्यात वाहनावर सूर्यप्रकाशाचा मोठ्या प्रमाणात परिणाम होतो. वाहनाच्या छतावर, दरवाजांवर, विंडशील्डवर आणि इतर बाह्य भागांवर पडणाऱ्या सौर किरणांमुळे वाहनाच्या आतील भागात उष्णता वाढते.
वाहनाच्या केबिनमध्ये निर्माण होणारी ही उष्णता कमी करण्यासाठी एअर-कंडिशनिंग प्रणालीचा वापर केला जातो. परंतु बाहेरील उष्णता वाहनाच्या आत अधिक प्रमाणात प्रवेश करत असल्यास एअर-कंडिशनिंग प्रणालीला अधिक काम करावे लागते. त्यामुळे ऊर्जा वापर वाढतो.
त्यामुळे वाहनाच्या बॉडी आणि केबिनच्या दरम्यान प्रभावी उष्णतारोधक पदार्थ वापरणे महत्त्वाचे आहे.
पारंपरिक उष्णतारोधक पदार्थांमध्ये:
पॉलीयुरेथेन फोम
पॉलीथिलीन फोम
ग्लास फायबर
मिनरल वूल
रबर आधारित इन्सुलेशन
विविध पॉलिमर फोम
यांचा वापर केला जातो.
परंतु आधुनिक ऑटोमोबाईलसाठी केवळ उष्णतारोधकता पुरेशी नाही. पदार्थामध्ये खालील गुणधर्म असणे आवश्यक आहे:
कमी वजन + कमी उष्णता चालकता + पुरेसे सामर्थ्य + कमी जलशोषण + टिकाऊपणा
यासाठी फायबर-प्रबलित पॉलिमर संमिश्र हा एक संभाव्य पर्याय आहे.
*2. समस्या विधान (Problem Statement)*
वाहनाच्या केबिनमध्ये बाहेरील उष्णता प्रवेश करण्याचे प्रमुख मार्ग म्हणजे:
वाहनाचे छत
वाहनाचे दरवाजे
वाहनाचा फ्लोअर
इंजिन-कंपार्टमेंटच्या जवळील भाग
डॅशबोर्ड परिसर
Firewall
वाहनाची बाह्य मेटल बॉडी
पारंपरिक इन्सुलेशनमध्ये काही समस्या आढळतात:
काही पदार्थांचे वजन तुलनेने जास्त असते.
काही पदार्थांची यांत्रिक ताकद कमी असते.
काही फोम पदार्थ दीर्घकालीन वापरात खराब होऊ शकतात.
आर्द्रतेमुळे गुणधर्म बदलू शकतात.
जास्त जाडीची इन्सुलेशन लेयर आवश्यक असू शकते.
वाहनाच्या एकूण वजनात वाढ होऊ शकते.
उष्णतारोधकता आणि यांत्रिक ताकद यांचा योग्य समतोल साधणे कठीण आहे.
मुख्य संशोधन समस्या
कमी वजनाचे, कमी उष्णता चालकता असलेले आणि पुरेसे यांत्रिक सामर्थ्य असलेले असे संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेल विकसित करणे, ज्याचा वाहनाच्या केबिनमध्ये प्रवेश करणारी उष्णता कमी करण्यासाठी वापर करता येईल.
*3. संशोधनातील पोकळी (Research Gap)*
फायबर-प्रबलित पॉलिमर संमिश्रांवर यापूर्वी मोठ्या प्रमाणात संशोधन झाले आहे. त्याचप्रमाणे विविध फोम, एरोजेल आणि इतर उष्णतारोधक पदार्थांवरही संशोधन झाले आहे.
परंतु खालील तीन गुणधर्मांचा एकत्रित अभ्यास करणे महत्त्वाचे आहे:
1. यांत्रिक मजबुती
फायबर + इपॉक्सी
2. उष्णतारोधकता
सिरेमिक मायक्रोस्फिअर्स / एरोजेल
3. कमी वजन
कमी घनतेचे फिलर
त्यामुळे:
Fibre + Epoxy + Thermal Insulating Filler
यांचा वापर करून ऑटोमोटिव्हसाठी विशिष्ट पॅनेल विकसित करणे हे या संशोधनाचे प्रमुख वैशिष्ट्य आहे.
*4. संशोधनाचे उद्दिष्ट (Aim)*
ऑटोमोटिव्ह अनुप्रयोगासाठी हलक्या वजनाचे, कमी उष्णता चालकता असलेले आणि पुरेसे यांत्रिक सामर्थ्य असलेले फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेल विकसित करणे व त्याची प्रायोगिक तपासणी करणे.
*5. संशोधनाची उद्दिष्टे (Objectives)*
फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र पॅनेल विकसित करणे.
इपॉक्सीमध्ये कमी घनतेचा उष्णतारोधक फिलर मिसळणे.
फिलरच्या प्रमाणाचा उष्णता चालकतेवर होणारा परिणाम अभ्यासणे.
संमिश्राची घनता निश्चित करणे.
तन्य सामर्थ्य निश्चित करणे.
वाकणारे सामर्थ्य निश्चित करणे.
जलशोषण निश्चित करणे.
उष्णता स्थिरतेचा अभ्यास करणे.
पारंपरिक ऑटोमोटिव्ह इन्सुलेशनशी तुलना करणे.
सर्वोत्तम मिश्रणाचे प्रमाण निश्चित करणे.
वाहनामध्ये या पॅनेलच्या संभाव्य वापराचा अभ्यास करणे.
*6. प्रस्तावित साहित्य (Materials)*
6.1 मॅट्रिक्स
Epoxy Resin + Hardener
इपॉक्सी रेजिन हे संमिश्रासाठी बांधणी करणारे मॅट्रिक्स म्हणून कार्य करेल.
6.2 फायबर
खालीलपैकी कोणतेही फायबर वापरता येईल:
Glass Fibre
Basalt Fibre
Natural Fibre
Jute Fibre
Bamboo Fibre
*प्राथमिक संशोधनासाठी माझी शिफारस:*
Glass Fibre
कारण:
सहज उपलब्ध
चांगले सामर्थ्य
तुलनेने स्थिर
प्रयोगशाळेत हाताळणे सोपे
Epoxy सोबत चांगली compatibility
*7. उष्णतारोधक फिलर*
*तुमच्या संशोधनासाठी दोन फिलर*
 विशेषतः महत्त्वाचे आहेत:
पर्याय 1
Ceramic Microspheres
पर्याय 2
Silica Aerogel
आणखी advanced research साठी:
Hybrid filler
Ceramic Microspheres + Silica Aerogel
हा पर्याय तुमच्या संशोधनाला अधिक नवीनता देऊ शकतो.
*8. प्रस्तावित Composite System*
माझ्या मते तुमच्या research साठी खालील system सर्वात योग्य आहे:
Glass Fibre + Epoxy Resin + Ceramic Microspheres + Silica Aerogel
यामध्ये:
Glass Fibre → Mechanical Strength
Epoxy → Matrix / Binding
Ceramic Microspheres → Thermal Insulation + Lightweight
Silica Aerogel → Advanced Thermal Insulation
*9. प्रस्तावित मिश्रणाचे प्रमाण*
*प्रारंभिक प्रयोगासाठी खालील नमुने तयार करता येतील.*
नमुना
फायबर
फिलर
इपॉक्सी
C0
0%
0%
उर्वरित
C1
10%
5%
उर्वरित
C2
10%
10%
उर्वरित
C3
15%
5%
उर्वरित
C4
15%
10%
उर्वरित
C5
20%
10%
उर्वरित
C6
15%
15%
उर्वरित
टीप: येथे % हे weight percentage (wt.%) म्हणून निश्चित करणे अधिक सोपे राहील.
प्रत्यक्ष संशोधनामध्ये resin manufacturer ने दिलेला resin:hardener ratio काटेकोरपणे वापरावा.

*10. Composite Panel तयार करण्याची पद्धत*
Hand Lay-Up + Compression Moulding
प्रक्रिया
मोल्ड स्वच्छ करणे.
मोल्डवर release agent लावणे.
इपॉक्सी रेजिन आणि hardener योग्य प्रमाणात मिसळणे.
त्यामध्ये ceramic microspheres मिसळणे.
आवश्यक असल्यास silica aerogel नियंत्रित पद्धतीने मिसळणे.
मोल्डमध्ये फायबरची पहिली layer ठेवणे.
त्यावर resin-filler mixture लावणे.
पुन्हा फायबर layer ठेवणे.
आवश्यक thickness मिळेपर्यंत प्रक्रिया करणे.
हवेचे bubbles काढणे.
नियंत्रित pressure देणे.
निर्धारित वेळेसाठी curing करणे.
पॅनेल मोल्डमधून बाहेर काढणे.
आवश्यक आकारात trimming करणे.
नमुने तयार करणे.
सर्व नमुने testing करण्यापूर्वी conditioning करणे.
*11. प्रस्तावित पॅनेलची रचना*
*पॅनेल sandwich configuration मध्ये तयार करता येईल.*
बाहेरील बाजू
Fibre Reinforced Epoxy Skin
↓
Thermal Insulation Core
↓
Fibre Reinforced Epoxy Skin
अशी रचना केल्यास:
mechanical strength वाढू शकते
panel stiffness वाढू शकते
thermal insulation मिळू शकते
कमी वजनाचे पॅनेल तयार होऊ शकते.
*12. प्रयोगशाळेतील चाचण्या*
*संशोधनामध्ये खालील चाचण्या घेणे आवश्यक आहे:*
घनता
उष्णता चालकता
उष्णता प्रतिरोध
तन्य सामर्थ्य
वाकणारे सामर्थ्य
जलशोषण
उष्णता स्थिरता
जाडी
पृष्ठभाग तापमान
केबिन तापमानातील घट

*13. Thermal Conductivity Test*
उष्णता चालकता ही या संशोधनातील सर्वात महत्त्वाची चाचणी आहे.
ASTM C518 मध्ये Heat Flow Meter पद्धतीने steady-state thermal transmission properties निश्चित करण्याची पद्धत दिली आहे.
पातळ composite specimen साठी ASTM E1530 देखील उपयोगी ठरू शकते.
मोजावयाचे घटक
गरम बाजूचे तापमान
थंड बाजूचे तापमान
Heat Flux
पॅनेलची जाडी
पॅनेलचे क्षेत्रफळ
*14. Thermal Conductivity चे सूत्र*
जिथे:
k = उष्णता चालकता, W/mK
Q = उष्णता प्रवाह, W
L = नमुन्याची जाडी, m
A = नमुन्याचे क्षेत्रफळ, m²
ΔT = दोन्ही बाजूंच्या तापमानातील फरक, K
अपेक्षित परिणाम:
Thermal conductivity कमी → Thermal insulation चांगले
*15. Thermal Resistance*

R = Thermal Resistance, m²K/W
L = thickness
k = thermal conductivity
संशोधनाचा मुख्य हेतू:
कमीत कमी वजन आणि जाडीमध्ये जास्तीत जास्त Thermal Resistance मिळवणे.
*16. Density Test*
जिथे:
ρ = घनता
m = वस्तुमान
V = घनफळ
वाहनासाठी कमी घनता असलेले पॅनेल फायदेशीर ठरेल.
*17. Tensile Strength Test*
या चाचणीद्वारे खालील गुणधर्म मिळतील:
Ultimate Tensile Strength
Tensile Strain
Young's Modulus
फायबरचे प्रमाण वाढवल्यास सामान्यतः mechanical strength सुधारू शकते; मात्र अतिप्रमाणात filler किंवा खराब dispersion झाल्यास strength कमी होऊ शकते.
*18. Flexural Strength Test*
Three-point bending test वापरून:
Flexural Strength
Flexural Modulus
Failure Behaviour
अभ्यासता येईल.
*19. Water Absorption Test*
पॅनेलच्या टिकाऊपणासाठी जलशोषण महत्त्वाचे आहे.
जिथे:
Wd = कोरडे वजन
Ww = पाण्यात ठेवल्यानंतरचे वजन
जलशोषण कमी असणे अपेक्षित आहे.
*20. Thermal Stability Test*
यासाठी:
TGA
किंवा
DSC
वापरता येईल.
यातून:
Degradation temperature
Glass transition temperature
Mass loss
Thermal stability
यांचा अभ्यास करता येईल.
*21. Automotive Simulation Test*
हा प्रयोग तुमच्या paper ला खूप मजबूत बनवेल.
फक्त thermal conductivity test न करता actual automobile heat simulation करणे आवश्यक आहे.
Experimental Setup
Heat Source
↓
Automotive Metal Sheet
↓
Developed Composite Panel
↓
Temperature Sensor
↓
Enclosed Chamber
*22. Comparison करण्याची पद्धत*
तीन परिस्थिती तयार करा:
Case 1
फक्त Automotive Metal Sheet
Case 2
Conventional insulation + Metal Sheet
Case 3
Developed Composite + Metal Sheet
सर्व नमुन्यांना समान:
Heat intensity
Exposure time
Distance
Ambient temperature
द्या.
*23. Temperature Measurement*
तापमान खालील वेळांवर नोंदवता येईल:
0, 5, 10, 15, 20, 30, 45 आणि 60 मिनिटे
मोजा:
बाहेरील तापमान
Metal sheet temperature
Insulation नंतरचे तापमान
आतल्या chamber चे तापमान
*24. Temperature Reduction*
यातून developed material मुळे किती तापमान कमी झाले हे स्पष्ट होईल.
*25. Expected Results*
हे अपेक्षित trends आहेत; actual experimental values paper मध्ये laboratory testing नंतरच द्यावेत.
गुणधर्म
अपेक्षित बदल
Density
कमी
Thermal Conductivity
कमी
Thermal Resistance
वाढ
Surface Temperature
कमी
Cabin Temperature
कमी
Tensile Strength
योग्य fibre content वर वाढ
Flexural Strength
योग्य fibre content वर वाढ
Water Absorption
कमी ठेवणे अपेक्षित
Thermal Stability
चांगली असणे अपेक्षित
*26. महत्त्वाचा संशोधन प्रश्न*
“सर्वात कमी thermal conductivity कोणत्या sample ची आहे?”
हा प्रश्न पुरेसा नाही.
तुमचा मुख्य संशोधन प्रश्न असा असावा:
“कमी thermal conductivity प्राप्त करताना composite ची mechanical strength आणि lightweight characteristics कशा प्रकारे कायम ठेवता येतील?”
यामुळे research अधिक मजबूत होईल.
*27. Observation Table*
*Actual testing नंतर* *खालीलप्रमाणे table तयार करा:*
Sample
Fibre %
Filler %
Density
Thermal Conductivity
Tensile Strength
Flexural Strength
C0
0
0
Actual
Actual
Actual
Actual
C1
10
5
Actual
Actual
Actual
Actual

*28. संभाव्य Applications*
1. Vehicle Roof
सूर्याच्या किरणांमुळे होणारा heat transfer कमी करण्यासाठी.
2. Vehicle Door
बाहेरील उष्णता केबिनमध्ये येण्याचे प्रमाण कमी करण्यासाठी.
3. Vehicle Floor
Road आणि exhaust system कडून येणारी उष्णता कमी करण्यासाठी.
4. Dashboard
Dashboard खालील भागात thermal barrier म्हणून.
5. Firewall
Engine compartment कडून passenger cabin कडे होणारा heat transfer कमी करण्यासाठी.
6. Engine Compartment
उष्णता नियंत्रणासाठी thermal barrier म्हणून.
*29. संशोधनाची मर्यादा*
Epoxy thermoset असल्यामुळे पुनर्वितळवणे शक्य नाही.
Filler चे uniform dispersion करणे आवश्यक आहे.
Silica aerogel वापरल्यास cost वाढू शकतो.
जास्त filler मुळे mechanical strength कमी होऊ शकते.
Laboratory test वास्तविक वाहनाच्या परिस्थितीपेक्षा वेगळा असू शकतो.
Fire resistance स्वतंत्रपणे तपासणे आवश्यक आहे.
UV resistance तपासणे आवश्यक आहे.
Vibration आणि thermal cycling testing आवश्यक आहे.
*30. भविष्यातील संशोधन*
पुढील संशोधनामध्ये खालील गोष्टी करता येतील:
Hybrid Fibre
Glass Fibre + Basalt Fibre
Natural Fibre
Jute/Bamboo/Flax Fibre + Epoxy
Advanced Insulation
Silica Aerogel + Ceramic Microspheres
Nanomaterials
Nano-Silica / Graphene
Fire Resistant Composite
Flame-retardant epoxy वापरणे.
Thermal Cycling
उदा.:
25°C → 80°C → 25°C
अशा repeated cycles मध्ये composite चे गुणधर्म तपासणे.
Full-scale Vehicle Testing
Optimized panel वाहनाच्या:
Roof + Door + Floor
मध्ये बसवून वास्तविक cabin temperature reduction मोजणे.
*31. निष्कर्ष (Conclusion)*
या संशोधनामध्ये ऑटोमोटिव्ह अनुप्रयोगासाठी हलक्या वजनाचे फायबर-प्रबलित इपॉक्सी संमिश्र उष्णतारोधक पॅनेल विकसित करण्याची संकल्पना मांडण्यात आली आहे. या संमिश्रामध्ये फायबरद्वारे यांत्रिक सामर्थ्य, इपॉक्सी रेजिनद्वारे मॅट्रिक्सची बांधणी आणि कमी घनतेच्या उष्णतारोधक फिलरद्वारे उष्णता संक्रमण कमी करण्याचा प्रयत्न केला आहे.
फायबर आणि फिलरच्या विविध प्रमाणांचा वापर करून तयार केलेल्या नमुन्यांवर thermal conductivity, thermal resistance, density, tensile strength, flexural strength, water absorption आणि thermal stability या गुणधर्मांचा अभ्यास करता येईल.
या संशोधनाचा मुख्य उद्देश केवळ कमी thermal conductivity मिळवणे नसून:
“कमी वजन + कमी thermal conductivity + पुरेसे mechanical strength + चांगली durability”
यांचा योग्य समतोल साधणे हा आहे.
ASTM C518 आणि ASTM E1530 यांसारख्या प्रमाणित पद्धतींच्या साहाय्याने thermal performance चे मूल्यांकन करता येते.
प्रयोगांमधून योग्य composition निश्चित झाल्यानंतर optimized composite panel चे automobile roof, door, floor, dashboard आणि firewall यांसारख्या भागांमध्ये संभाव्य उपयोग तपासता येईल. पुढील टप्प्यात full-scale vehicle testing, thermal cycling, vibration, UV exposure आणि fire-performance testing केल्यास या संशोधनाचे व्यावहारिक आणि औद्योगिक महत्त्व अधिक वाढू शकते.