Měření tepelné vodivosti chlorovaného polyvinylchloridu (CPVC)

Chlorovaný polyvinylchlorid (CPVC, obr. 1) je termoplastický polymer odvozený od polyvinylchloridu (PVC). Oproti PVC má zvýšenou korozní a tepelnou odolnost a vykazuje vlastnosti zpomalující hoření. Nedávno nás zákazník požádal o poskytnutí korelačních údajů při charakterizaci tepelné vodivosti materiálu pomocí metody C-Therm Modified Transient Plane Source (MTPS) s tradičními údaji ze zkoušky ASTM C-177 (hlídaná horká deska).

Motivací zájmu našeho klienta je pochopení, že ačkoli je metoda C-177 dobře ověřenou metodou měření tepelné vodivosti, její omezení týkající se vzorků a dlouhé zkušební časy činí práci s ní náročnou. V porovnání s tím nabízí jednostranné pohodlné rozhraní MTPS větší flexibilitu a oni chtějí pochopit korelaci mezi metodami.

Chlorovaný polyvinylchlorid používaný jako materiál volby pro instalatérské ventily a trubky
Obrázek 1. CPVC se používá především v instalatérství, kde je CPVC ve většině aplikací materiálem volby pro armatury, ventily a trubky.

Výhody CPVC

Jednou z podstatných výhod použití CPVC v potrubí je, že pokud není v přímém kontaktu s plamenem, sám zhasne. CPVC také nabízí výrazně lepší tažnost a odolnost proti drcení ve srovnání s PVC. Tyto vlastnosti přispívají k velké oblibě tohoto materiálu pro instalatérské aplikace. V instalatérských aplikacích je důležitá tepelná vodivost materiálu. Jakékoli potrubí používané k přenosu horké vody by mělo mít v ideálním případě nízkou tepelnou vodivost (nebo vysoký tepelný odpor). Tepelná vodivost potrubního materiálu je důležitým aspektem při maximalizaci účinnosti celého vodovodního systému.

Typy CPVC

CPVC zahrnuje širokou třídu polymerních sloučenin, přičemž procento chlorace se u jednotlivých výrobců liší. Tepelné vlastnosti materiálu, včetně měrné tepelné kapacity, teploty skelného přechodu a tepelné vodivosti, jsou do značné míry závislé na složení polymeru.

Charakteristiky CPVC

Při charakterizaci tepelné vodivosti se výzkumníci tradičně přiklánějí k technikám ustáleného stavu, jako je ASTM C-177. V posledních dvaceti letech však inovace přechodových metod, jako je MTPS, otevřely možnosti rychlejších, jednodušších a univerzálnějších zkušebních metod. To nabízí potenciál pro zlepšení testování kontroly kvality skutečných dílů a zrychlenou charakterizaci R&D. Technika Modified Transient Plane Source je všeobecně považována za nejkonzistentnější a nejpřesnější z přechodových technik. Srovnání těchto technik je uvedeno níže.

Metody měření tepelné vodivosti CPVC

Střežená horká deska

ASTM C177 (Střežená horká deska) je známá jako absolutní a přesná metoda analýzy tepelné vodivosti – je to metoda, podle které je kalibrováno mnoho dalších norem, například ASTM C518. Aby byly analýzy platné, vyžadují dosažení tepelně ustáleného stavu, který je definován takto:

8.8.1 Tepelně ustálený stav pro účely této zkušební metody je analyticky definován jako:

8.8.1.1 Teploty horkého a studeného povrchu jsou stabilní v rámci možností zařízení při zkušebních podmínkách. V ideálním případě se analýzou chyb určí velikost přípustných rozdílů, obvykle je však rozdíl menší než 0,1 % rozdílu teplot.

8.8.1.2 Výkon do měřicí plochy je stabilní v rámci možností zařízení. V ideálním případě analýza chyb určí velikost přípustných rozdílů, avšak rozdíl je obvykle menší než 0,2 % očekávaného průměrného výsledku.

8.8.1.3 Výše uvedené požadované podmínky existují během nejméně čtyř intervalů v délce 30 min nebo čtyř časových konstant systému, podle toho, co je delší.

(ASTM C177)

Po dosažení ustáleného stavu se dokončí tři běhy sběru dat, z nichž každý trvá minimálně 30 minut, přičemž celková minimální doba zkoušení je alespoň 3,5 hodiny, často mnohem déle u hustých, mikroporézních nebo zvláště hustých vzorků. Není neobvyklé, že jednotlivé vzorky se zpracovávají celý den. Zkoušení tuhých vzorků – včetně skel, keramiky a polymerů pod teplotou skelného přechodu – pomocí C177 vyžaduje rozsáhlou přípravu vzorků, aby bylo zajištěno, že roviny vzorků jsou rovnoběžné a rovné ve stejném rozsahu jako desky, což má za následek rozsáhlé a velmi přesné požadavky na opracování. Norma C177 rovněž vyžaduje zvláštní opatření pro materiály s tepelnou vodivostí vyšší než 0,1 W/mK a pro vzorky s volnou výplní (další informace viz oddíly 7.2.2 a 7.2.4 normy ASTM C177 a norma ASTM C687).

Modifikovaný přechodový rovinný zdroj (MTPS)

Naproti tomu metoda analýzy tepelné vodivosti pomocí modifikovaného přechodového rovinného zdroje (MTPS) je jednostranná přechodová metoda. Zkouška se skládá z přechodného tepelného impulzu, který je aplikován na povrch vzorku přes platinovou cívku senzoru. Současně se zahříváním cívky snímače se zahřívá i ochranný kroužek, čímž je zajištěn jednorozměrný tok tepla do vzorku (pro krátkou dobu zkoušky).

Vzhledem k přechodovému charakteru měření je možné získat jedno měření za méně než několik sekund, což umožňuje shromáždit statisticky významný počet datových bodů během několika minut. Metoda MTPS je mnohem pohodlnější metodou sběru údajů o tepelné vodivosti. Pro podrobnější informace o rozdílných bodech mezi metodami je zde k dispozici další podrobné srovnání.

Srovnání výsledků tepelné vodivosti hlídané horké desky a MTPS

Kus CPVC byl charakterizován jak metodou ASTM C177, tak metodou analýzy tepelné vodivosti MTPS za podmínek pokojové teploty (přibližně 25 ◦ Celsia). Výsledky jsou uvedeny na obrázku 2.

Obrázek 2. Tepelná vodivost CPVC měřená podle ASTM C177 a pomocí MTPS.

Závěr

Tepelná vodivost CPVC měřená podle ASTM C177 byla 0,136 W/mK. K testování CPVC byla použita také metoda Modified Transient Plane Source a zjištěná tepelná vodivost byla 0,139 W/mK. Výsledky obou zkušebních metod se shodují v rozmezí lepším než 2,5 %. Podobné studie testující standardní referenční materiál (SRM) z expandovaného polystyrenu (EPS) ze zdroje NIST potvrdily podobnou přesnost výsledků.

Leave a Reply

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.