Måling af varmeledningsevnen for kloreret polyvinylchlorid (CPVC)

Chloreret polyvinylchlorid (CPVC, figur 1) er en termoplastisk polymer, der er afledt af polyvinylchlorid (PVC). Det giver bedre korrosions- og varmebestandighed i forhold til PVC og har flammehæmmende egenskaber. For nylig blev vi af en kunde bedt om at levere korrelative data til karakterisering af materialets varmeledningsevne ved hjælp af C-Therms MTPS-metode (Modified Transient Plane Source) sammen med traditionelle ASTM C-177-testdata (overvåget varm plade).

Den motiverende faktor for vores klients interesse er forståelsen af, at selv om C-177 er en velanerkendt metode til måling af varmeledningsevne – gør dens prøvebegrænsninger og lange testtider den udfordrende at arbejde med. Til sammenligning giver MTPS’ ensidigt bekvemme grænseflade større fleksibilitet, og de ønsker at forstå sammenhængen mellem metoderne.

Chloreret polyvinylchlorid anvendes som det foretrukne materiale til VVS-ventiler og -rør
Figur 1. CPVC anvendes primært i VVS-installationer, hvor CPVC er det foretrukne materiale til fittings, ventiler og rør i de fleste anvendelser.

Fordele ved CPVC

En væsentlig fordel ved at anvende CPVC i rørledninger er, at det slukker af sig selv, hvis det ikke er i direkte kontakt med en flamme. CPVC har også en betydeligt forbedret duktilitet og knusningsbestandighed i forhold til PVC. Disse egenskaber bidrager til dette materiales store popularitet til VVS-anvendelser. I VVS-anvendelser er materialets varmeledningsevne vigtig. Alle rør, der anvendes til at overføre varmt vand, bør ideelt set have en lav termisk ledningsevne (eller høj termisk modstand). Rørmaterialets varmeledningsevne er et vigtigt aspekt for at maksimere effektiviteten af det samlede VVS-system.

Typer af CPVC

CPVC omfatter en bred klasse af polymerforbindelser med kloreringsprocenter, som varierer fra producent til producent. Materialets termiske egenskaber, herunder specifik varmekapacitet, glasovergangstemperatur og varmeledningsevne, afhænger i høj grad af polymerens sammensætning.

Karakteristika for CPVC

Ved karakterisering af varmeledningsevnen har forskere traditionelt lænet sig op ad steady-state-teknikker som f.eks. ASTM C-177. I løbet af de sidste tyve år har innovationer inden for transiente metoder, såsom MTPS, imidlertid åbnet muligheder for hurtigere, nemmere og mere alsidige testmetoder. Dette giver mulighed for forbedret kvalitetskontrol af faktiske dele og fremskyndet R&D-karakterisering. Den modificerede transiente planekilde-teknik anses generelt for at være den mest konsekvente og nøjagtige af de transiente teknikker. En sammenligning mellem disse teknikker præsenteres nedenfor.

Metoder til måling af CPVC’s varmeledningsevne

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) er kendt for at være en absolut, præcis metode til analyse af varmeledningsevne – det er den metode, som mange andre standarder, såsom ASTM C518, er kalibreret i forhold til. For at være gyldige kræver analyserne, at der opnås termisk steady state, der defineres som følger:

8.8.1 Termisk steady state i forbindelse med denne prøvningsmetode defineres analytisk som:

8.8.1.1.1 Temperaturerne på de varme og kolde overflader er stabile inden for udstyrets kapacitet ved prøvningsbetingelserne. Ideelt set vil en fejlanalyse bestemme størrelsen af de tilladte forskelle, men forskellen er normalt mindre end 0,1 % af temperaturforskellen.

8.8.1.2. Effekten til måleområdet er stabil inden for udstyrets kapacitet. Ideelt set vil en fejlanalyse bestemme størrelsen af de tilladte forskelle, men forskellen er normalt mindre end 0,2 % af det forventede gennemsnitsresultat.

8.8.1.3. Ovennævnte betingelser skal være opfyldt i mindst fire intervaller af 30 minutters varighed eller fire systemtidskonstanter, alt efter hvilken periode der er længst.

(ASTM C177)

Efter opnåelse af stationær tilstand gennemføres tre dataindsamlingskørsler, der hver tager mindst 30 minutter, hvilket giver en samlet minimumsprøvetid på mindst 3,5 timer, ofte meget længere for tykke, mikroporøse eller særligt tætte prøver. Det er ikke ualmindeligt, at det kan tage en hel dag at køre en enkelt prøve. Testning af stive prøver – herunder glas, keramik og polymerer under deres glasovergangstemperatur – via C177 kræver en omfattende prøveforberedelse for at sikre, at prøveplanerne er parallelle og flade i samme omfang som pladerne, hvilket resulterer i omfattende og meget præcise bearbejdningskrav. Desuden kræver C177, at der tages særlige forholdsregler for materialer med en varmeledningsevne på over 0,1 W/mK og for prøver med løs fyldning (se afsnit 7.2.2 og 7.2.4 i ASTM C177 samt ASTM C687 for yderligere oplysninger).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Modified Transient Plane Source (MTPS)-metoden til analyse af varmeledningsevne er derimod en ensidig transient metode. En test består af en transient varmepuls, som påføres prøveoverfladen gennem sensorens platinspole. Samtidig med at sensorspolen opvarmes, opvarmes også beskyttelsesringen, hvilket sikrer, at varmestrømmen ind i prøven er endimensional (i den korte testtid, der anvendes).

På grund af målingens forbigående karakter kan en enkelt måling opnås på under få sekunder, hvilket giver mulighed for indsamling af et statistisk signifikant antal datapunkter på få minutter. MTPS-metoden er en langt mere bekvem metode til indsamling af data om varmeledningsevne. For yderligere detaljer om de punkter, der adskiller metoderne fra hinanden, findes der en yderligere detaljeret sammenligning her.

Sammenligning af resultaterne af varmeledningsevne ved hjælp af Guarded Hot Plate og MTPS

Et stykke CPVC blev karakteriseret både ved ASTM C177 og MTPS-metoden til analyse af varmeledningsevne ved stuetemperaturforhold (ca. 25 ◦ Celsius). Resultaterne er vist i figur 2.

Figur 2. Varmeledningsevne for CPVC, målt ved ASTM C177 og ved MTPS.

Slutning

Varmeledningsevnen for CPVC som målt ved ASTM C177 var 0,136 W/mK. Den modificerede Transient Plane Source-metode blev anvendt til også at teste CPVC, og den observerede varmeledningsevne var 0,139 W/mK. Resultaterne for de to testmetoder stemmer overens med mere end 2,5 %. Lignende undersøgelser, der tester NIST-kilde standardreferencemateriale (SRM) af ekspanderet polystyren (EPS), bekræftede en lignende nøjagtighed af ydeevne.

Leave a Reply

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.