Klooratun polyvinyylikloridin (CPVC) lämmönjohtavuuden mittaaminen

Kloorattu polyvinyylikloridi (CPVC, kuva 1) on polyvinyylikloridista (PVC) peräisin oleva termoplastinen polymeeri. Se tarjoaa parempaa korroosion- ja lämmönkestävyyttä PVC:hen verrattuna, ja sillä on palonesto-ominaisuuksia. Eräs asiakas pyysi meitä hiljattain toimittamaan korreloivia tietoja materiaalin lämmönjohtavuuden karakterisoinnista C-Thermin modifioidulla MTPS-menetelmällä (Modified Transient Plane Source) perinteisen ASTM C-177 -testin (suojattu kuumalevy) tietojen kanssa.

Asiakkaamme kiinnostuksen taustalla on ymmärrys siitä, että vaikka C-177 on hyvin luotettu menetelmä lämmönjohtavuuden mittaamiseen, sen sisältämät näytteenottorajoitukset ja pitkät testiajat tekevät siitä haastavan käyttää. Vertailun vuoksi MTPS:n yksipuolinen kätevä käyttöliittymä tarjoaa enemmän joustavuutta, ja he haluavat ymmärtää menetelmien välisen korrelaation.

Kloorattua polyvinyylikloridia käytetään LVI-venttiilien ja putkien materiaalina
Kuva 1. CPVC:tä käytetään ensisijaisesti LVI-tekniikassa, jossa CPVC on valintamateriaali liitososiin, venttiileihin ja putkiin useimmissa sovelluksissa.

CPVC:n edut

Yksi huomattavaksi eduksi CPVC:n käytölle putkistoissa on se, että se sammuu itsestään, jos se ei ole suorassa kosketuksessa liekin kanssa. CPVC:llä on myös huomattavasti parempi sitkeys ja puristuskestävyys verrattuna PVC:hen. Nämä ominaisuudet ovat osaltaan syynä tämän materiaalin suureen suosioon LVI-sovelluksissa. LVI-sovelluksissa materiaalin lämmönjohtavuus on tärkeää. Kaikkien kuuman veden johtamiseen käytettävien putkistojen lämmönjohtavuuden (tai lämmönkestävyyden) olisi mieluiten oltava alhainen. Putkimateriaalin lämmönjohtavuus on tärkeä näkökohta maksimoitaessa koko LVI-järjestelmän tehokkuutta.

KPVC:n tyypit

KPVC:hen kuuluu laaja luokka polymeeriyhdisteitä, joiden kloorausprosentit vaihtelevat valmistajittain. Materiaalin lämpöominaisuudet, mukaan lukien ominaislämpökapasiteetti, lasittumislämpötila ja lämmönjohtavuus, riippuvat suuresti polymeerin koostumuksesta.

KPKVK:n ominaisuudet

Lämmönjohtavuuden karakterisoinnissa tutkijat ovat perinteisesti tukeutuneet tasaiseen tekniikkaan, kuten ASTM C-177:ään. Viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana innovaatiot transienttimenetelmissä, kuten MTPS, ovat kuitenkin avanneet mahdollisuuksia nopeampiin, helpompiin ja monipuolisempiin testimenetelmiin. Tämä tarjoaa mahdollisuuden parantaa todellisten osien laadunvalvontatestausta ja nopeuttaa R&D-luonnehdintaa. Modified Transient Plane Source -menetelmää pidetään yleisesti transienttimenetelmistä johdonmukaisimpana ja tarkimpana. Seuraavassa esitetään näiden tekniikoiden vertailu.

Methods for Measuring Thermal Conductivity of CPVC

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) on tunnetusti absoluuttinen ja tarkka lämmönjohtavuuden analyysimenetelmä – se on menetelmä, jonka mukaan monet muut standardit, kuten ASTM C518, on kalibroitu. Ollakseen päteviä analyysit edellyttävät termisen tasapainotilan saavuttamista, joka määritellään seuraavasti:

8.8.1 Terminen tasapainotila määritellään tässä testimenetelmässä analyyttisesti seuraavasti:

8.8.1.1 Kuuman ja kylmän pinnan lämpötilat ovat vakaita laitteiston suorituskyvyn rajoissa testiolosuhteissa. Ihannetapauksessa virheanalyysi määrittää sallittujen erojen suuruuden, mutta ero on yleensä alle 0,1 % lämpötilaerosta.

8.8.1.2 Mittausalueelle tuleva teho on vakaa laitteiston suorituskyvyn rajoissa. Ihannetapauksessa virheanalyysi määrittää sallittujen erojen suuruuden, mutta ero on kuitenkin yleensä alle 0,2 % odotetusta keskimääräisestä tuloksesta.

8.8.1.3 Edellä vaaditut olosuhteet vallitsevat vähintään neljän 30 minuutin pituisen jakson tai neljän järjestelmän aikavakion aikana sen mukaan, kumpi on pidempi.

(ASTM C177)

Vakaan tilan saavuttamisen jälkeen suoritetaan kolme tiedonkeruuajoa, joista kukin kestää vähintään 30 minuuttia, jolloin testauksen kokonaiskesto on vähintään 3,5 tuntia, usein paljon pidempi, jos kyseessä ovat paksut, mikrohuokoiset tai erityisen tiheät näytteet. Ei ole harvinaista, että yksittäisten näytteiden ajo kestää päivän. Jäykkien näytteiden – mukaan lukien lasit, keramiikka ja polymeerit, joiden lasittumislämpötila on alle niiden lasittumislämpötilan – testaaminen C177:llä edellyttää laajaa näytteen valmistelua sen varmistamiseksi, että näytetasot ovat samansuuntaisia ja tasaisia samassa määrin kuin levyt, mikä edellyttää laajaa ja erittäin tarkkaa työstöä. Lisäksi C177 edellyttää erityisiä varotoimia sellaisten materiaalien osalta, joiden lämmönjohtavuus on yli 0,1 W/mK, sekä irtotäytteisten näytteiden osalta (ks. lisätietoja ASTM C177:n kohdista 7.2.2 ja 7.2.4 sekä ASTM C687:stä).

Modifioitu transienttinen tasolähde (MTPS)

Lämmönjohtavuusanalyysin modifioidussa transienttisessa tasolähteessä (Modified Transient Plane Source -menetelmä, jäljempänä ’MTPS’) on sitä vastoin vain yksipuoleinen transienttinen menetelmä. Testi koostuu ohimenevästä lämpöpulssista, joka kohdistetaan näytteen pintaan anturin platinakelan kautta. Samaan aikaan kun anturikäämi kuumenee, myös suojarengas kuumenee, jolloin varmistetaan, että lämpövirtaus näytteeseen on yksiulotteinen (käytetyn lyhyen testiajan aikana).

Mittauksen ohimenevän luonteen vuoksi yksittäinen mittaus saadaan alle muutamassa sekunnissa, mikä mahdollistaa tilastollisesti merkittävän määrän datapisteitä keräämisen muutamassa minuutissa. MTPS-menetelmä on huomattavasti kätevämpi tapa kerätä lämmönjohtavuustietoja. Yksityiskohtaisempi vertailu menetelmien välisistä eroista löytyy täältä.

Lämmönjohtavuustulosten vertailu vartioidun kuumalevyn ja MTPS-menetelmän avulla

Pala CPVC:tä karakterisoitiin sekä ASTM C177:n että MTPS-menetelmän lämmönjohtavuusanalyysin avulla huoneenlämpötilassa (noin 25 ◦ Celsius). Tulokset on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. CPVC:n lämmönjohtavuus ASTM C177:llä ja MTPS:llä mitattuna.

Johtopäätös

ASTM C177:llä mitattu CPVC:n lämmönjohtavuus oli 0,136 W/mK. CPVC:tä testattiin myös Modified Transient Plane Source -menetelmällä, ja havaittu lämmönjohtavuus oli 0,139 W/mK. Molempien testimenetelmien tulokset vastaavat toisiaan paremmin kuin 2,5 prosentin tarkkuudella. Samankaltaiset tutkimukset, joissa testattiin NIST-lähteestä peräisin olevaa standardivertailumateriaalia (SRM) paisutettua polystyreeniä (EPS), vahvistivat samanlaisen suorituskyvyn tarkkuuden.

Leave a Reply

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.