Messung der Wärmeleitfähigkeit von chloriertem Polyvinylchlorid (CPVC)

Chloriertes Polyvinylchlorid (CPVC, Abbildung 1) ist ein thermoplastisches Polymer, das von Polyvinylchlorid (PVC) abgeleitet ist. Es bietet im Vergleich zu PVC eine verbesserte Korrosions- und Wärmebeständigkeit und weist flammhemmende Eigenschaften auf. Kürzlich wurden wir von einem Kunden gebeten, korrelative Daten zur Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit des Materials über die MTPS-Methode (Modified Transient Plane Source) von C-Therm mit den herkömmlichen ASTM C-177-Testdaten (bewachte Heizplatte) bereitzustellen.

Der Grund für das Interesse unseres Kunden ist die Erkenntnis, dass C-177 zwar eine bewährte Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit ist, aber aufgrund der eingeschränkten Probenmenge und der langen Testzeiten nur schwer zu handhaben ist. Im Vergleich dazu bietet die einseitige, bequeme Schnittstelle des MTPS eine größere Flexibilität, und sie möchten die Korrelation zwischen den Methoden verstehen.

Chloriertes Polyvinylchlorid wird als Material der Wahl für Sanitärarmaturen und -rohre verwendet
Abbildung 1. CPVC wird vor allem im Sanitärbereich verwendet, wo CPVC in den meisten Anwendungen das Material der Wahl für Fittings, Ventile und Rohre ist.

Vorteile von CPVC

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von CPVC in Rohrleitungen ist, dass es selbstverlöschend ist, wenn es nicht in direkten Kontakt mit einer Flamme kommt. Außerdem bietet CPVC im Vergleich zu PVC eine deutlich verbesserte Dehnbarkeit und Druckfestigkeit. Diese Eigenschaften tragen zur großen Beliebtheit dieses Materials für Sanitäranwendungen bei. Bei Sanitäranwendungen ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials wichtig. Alle Rohre, die zur Übertragung von Warmwasser verwendet werden, sollten idealerweise eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (oder einen hohen Wärmewiderstand) aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit des Rohrleitungsmaterials ist ein wichtiger Aspekt bei der Maximierung der Effizienz des gesamten Rohrleitungssystems.

Typen von CPVC

CPVC umfasst eine breite Klasse von Polymerverbindungen, deren Chlorierungsgrad von Hersteller zu Hersteller variiert. Die thermischen Eigenschaften des Materials, einschließlich der spezifischen Wärmekapazität, der Glasübergangstemperatur und der Wärmeleitfähigkeit, hängen in hohem Maße von der Zusammensetzung des Polymers ab.

Charakteristika von CPVC

Bei der Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit haben sich die Forscher traditionell auf stationäre Verfahren wie ASTM C-177 gestützt. In den letzten zwanzig Jahren haben jedoch Innovationen im Bereich der instationären Methoden, wie das MTPS, Möglichkeiten für schnellere, einfachere und vielseitigere Prüfmethoden eröffnet. Dies bietet das Potenzial für verbesserte Qualitätskontrollprüfungen an tatsächlichen Teilen und eine beschleunigte R&D-Charakterisierung. Die Modified Transient Plane Source-Technik gilt weithin als die beständigste und genaueste der Transienten-Techniken. Ein Vergleich zwischen diesen Techniken wird im Folgenden vorgestellt.

Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von CPVC

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) ist bekannt als eine absolute, genaue Methode zur Analyse der Wärmeleitfähigkeit – es ist die Methode, auf die viele andere Normen, wie ASTM C518, kalibriert sind. Um gültig zu sein, erfordern Analysen das Erreichen des thermischen Fließgleichgewichts, das wie folgt definiert ist:

8.8.1 Thermisches Fließgleichgewicht für die Zwecke dieser Prüfmethode ist analytisch definiert als:

8.8.1.1 Die Temperaturen der heißen und kalten Oberflächen sind innerhalb der Möglichkeiten der Ausrüstung bei den Prüfbedingungen stabil. Im Idealfall wird eine Fehleranalyse die Größe der zulässigen Differenzen bestimmen, jedoch ist die Differenz normalerweise kleiner als 0,1 % der Temperaturdifferenz.

8.8.1.2 Die Leistung im Messbereich ist innerhalb der Leistungsfähigkeit der Ausrüstung stabil. Im Idealfall wird eine Fehleranalyse die Größe der zulässigen Differenzen bestimmen, jedoch liegt die Differenz normalerweise unter 0,2 % des erwarteten Durchschnittsergebnisses.

8.8.1.3 Die oben geforderten Bedingungen bestehen während mindestens vier Intervallen von 30 Minuten Dauer oder vier Systemzeitkonstanten, je nachdem, was länger ist.

(ASTM C177)

Nach Erreichen des Fließgleichgewichts werden drei Datenerfassungsläufe durchgeführt, von denen jeder mindestens 30 Minuten dauert, so dass die gesamte Mindestprüfzeit mindestens 3,5 Stunden beträgt, bei dicken, mikroporösen oder besonders dichten Proben oft auch wesentlich länger. Es ist nicht ungewöhnlich, dass einzelne Proben einen ganzen Tag für die Prüfung benötigen. Die Prüfung starrer Proben – einschließlich Gläsern, Keramiken und Polymeren unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur – mit dem C177 erfordert eine umfangreiche Probenvorbereitung, um sicherzustellen, dass die Probenebenen parallel und in gleichem Maße flach sind wie die Platten, was zu umfangreichen und hochpräzisen Bearbeitungsanforderungen führt. Außerdem erfordert C177 besondere Vorsichtsmaßnahmen für Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 0,1 W/mK und für Proben mit loser Füllung (siehe Abschnitte 7.2.2 und 7.2.4 in ASTM C177 sowie ASTM C687 für weitere Informationen).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Im Gegensatz dazu ist die Modified Transient Plane Source (MTPS)-Methode der Wärmeleitfähigkeitsanalyse eine einseitige instationäre Methode. Ein Test besteht aus einem transienten Wärmeimpuls, der über die Platinspule des Sensors auf die Probenoberfläche aufgebracht wird. Gleichzeitig mit der Erwärmung der Sensorspule wird auch der Schutzring erwärmt, so dass ein eindimensionaler Wärmefluss in die Probe gewährleistet ist (für die kurze Prüfzeit).

Aufgrund des instationären Charakters der Messung ist eine einzelne Messung in weniger als ein paar Sekunden möglich, so dass eine statistisch signifikante Anzahl von Datenpunkten in wenigen Minuten erfasst werden kann. Die MTPS-Methode ist eine weitaus bequemere Methode zur Erfassung von Wärmeleitfähigkeitsdaten. Weitere Einzelheiten zu den Unterschieden zwischen den Methoden finden Sie hier.

Vergleich der Wärmeleitfähigkeitsergebnisse von Guarded Hot Plate und MTPS

Ein Stück CPVC wurde sowohl nach ASTM C177 als auch nach der MTPS-Methode der Wärmeleitfähigkeitsanalyse bei Raumtemperatur (ca. 25 ◦ Celsius) charakterisiert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Wärmeleitfähigkeit von CPVC, gemessen nach ASTM C177 und mit MTPS.

Schlussfolgerung

Die Wärmeleitfähigkeit von CPVC, gemessen nach ASTM C177, betrug 0,136 W/mK. Die Modified Transient Plane Source-Methode wurde auch zur Prüfung von CPVC verwendet, und die beobachtete Wärmeleitfähigkeit betrug 0,139 W/mK. Die Ergebnisse der beiden Prüfmethoden stimmen um mehr als 2,5 % überein. Ähnliche Studien, bei denen Standardreferenzmaterial (SRM) aus expandiertem Polystyrol (EPS) mit NIST-Quelle getestet wurde, bestätigten eine ähnliche Leistungsgenauigkeit.

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