Mesure de la conductivité thermique du chlorure de polyvinyle chloré (CPVC)

Le chlorure de polyvinyle chloré (CPVC, figure 1) est un polymère thermoplastique dérivé du chlorure de polyvinyle (PVC). Il offre une meilleure résistance à la corrosion et à la chaleur par rapport au PVC, et présente des propriétés ignifuges. Récemment, un client nous a demandé de fournir des données corrélatives dans la caractérisation de la conductivité thermique du matériau via la méthode Modified Transient Plane Source (MTPS) de C-Therm avec les données d’essai traditionnelles ASTM C-177 (plaque chaude gardée).

L’intérêt de notre client est motivé par le fait que, bien que la méthode C-177 soit une méthode de confiance pour mesurer la conductivité thermique – ses restrictions d’échantillons et ses longs temps d’essai la rendent difficile à travailler. Comparativement, l’interface pratique unilatérale du MTPS offre une plus grande flexibilité et ils souhaitent comprendre la corrélation entre les méthodes.

Chlorure de polyvinyle chloré utilisé comme matériau de choix pour les vannes et les tuyaux de plomberie
Figure 1. Le CPVC est utilisé principalement dans la plomberie, où le CPVC est le matériau de choix pour les raccords, les vannes et les tuyaux dans la plupart des applications.

Avantages du CPVC

Un avantage substantiel de l’utilisation du CPVC dans la tuyauterie est qu’il s’éteint de lui-même s’il n’est pas en contact direct avec une flamme. Le CPVC offre également une ductilité et une résistance à l’écrasement nettement améliorées par rapport au PVC. Ces propriétés contribuent à la grande popularité de ce matériau pour les applications de plomberie. Dans les applications de plomberie, la conductivité thermique du matériau est importante. Toute canalisation utilisée pour transporter de l’eau chaude doit idéalement avoir une faible conductivité thermique (ou une résistance thermique élevée). La conductivité thermique du matériau de la tuyauterie est un aspect important pour maximiser les efficacités de l’ensemble du système de plomberie.

Types de CPVC

Le CPVC comprend une large classe de composés polymères, avec des pourcentages de chloration qui varient selon les fabricants. Les propriétés thermiques du matériau, notamment la capacité thermique spécifique, la température de transition vitreuse et la conductivité thermique, dépendent fortement de la composition du polymère.

Caractéristiques du CPVC

Pour caractériser la conductivité thermique, les chercheurs se sont traditionnellement penchés sur des techniques en régime permanent telles que la norme ASTM C-177. Cependant, au cours des vingt dernières années, les innovations dans les méthodes transitoires, telles que le MTPS, ont ouvert des opportunités pour des méthodes de test plus rapides, plus faciles et plus polyvalentes. Cela offre la possibilité d’améliorer les essais de contrôle de la qualité des pièces réelles et d’accélérer la caractérisation de la R&D. La technique Modified Transient Plane Source est largement considérée comme la plus cohérente et la plus précise des techniques transitoires. Une comparaison entre ces techniques est présentée ci-dessous.

Méthodes de mesure de la conductivité thermique du CPVC

Plaque chaude gardée

ASTM C177 (plaque chaude gardée) est connue pour être une méthode absolue et précise d’analyse de la conductivité thermique – c’est la méthode à laquelle de nombreuses autres normes, telles que ASTM C518, sont étalonnées. Pour être valides, les analyses nécessitent l’obtention d’un état d’équilibre thermique, défini comme suit :

8.8.1 L’état d’équilibre thermique aux fins de cette méthode d’essai est défini analytiquement comme :

8.8.1.1 Les températures des surfaces chaudes et froides sont stables dans la capacité de l’équipement aux conditions d’essai. Idéalement, une analyse d’erreur déterminera l’ampleur des différences admissibles, cependant la différence est généralement inférieure à 0,1 % de la différence de température.

8.8.1.2 L’alimentation de la zone de mesure est stable dans la capacité de l’équipement. Idéalement, une analyse d’erreur déterminera l’ampleur des différences admissibles, cependant la différence est généralement inférieure à 0,2 % du résultat moyen attendu.

8.8.1.3 Les conditions requises ci-dessus existent pendant au moins quatre intervalles d’une durée de 30 min ou quatre constantes de temps du système, selon la plus longue de ces périodes.

(ASTM C177)

Après l’atteinte de l’état d’équilibre, trois séries d’acquisition de données sont réalisées, chacune prenant au minimum 30 minutes, pour une durée totale minimale d’essai d’au moins 3,5 heures, souvent beaucoup plus longue pour les échantillons épais, microporeux ou particulièrement denses. Il n’est pas rare que l’analyse d’un seul échantillon prenne une journée. L’essai d’échantillons rigides – y compris les verres, les céramiques et les polymères en dessous de leur température de transition vitreuse – via le C177 nécessite une préparation poussée de l’échantillon pour s’assurer que les plans de l’échantillon sont parallèles et plats dans la même mesure que les plaques, ce qui entraîne des exigences d’usinage importantes et très précises. De plus, la norme C177 exige que des précautions particulières soient prises pour les matériaux dont la conductivité thermique est supérieure à 0,1 W/mK et pour les échantillons à remplissage libre (voir les sections 7.2.2 et 7.2.4 de la norme ASTM C177 ainsi que la norme ASTM C687 pour plus d’informations).

Source plane transitoire modifiée (MTPS)

En revanche, la méthode d’analyse de la conductivité thermique par source plane transitoire modifiée (MTPS) est une méthode transitoire unilatérale. Un essai consiste en une impulsion thermique transitoire qui est appliquée à la surface de l’échantillon à travers la bobine de platine du capteur. En même temps que la bobine du capteur chauffe, l’anneau de garde est également chauffé, ce qui garantit que le flux de chaleur dans l’échantillon est unidimensionnel (pour le court temps de test employé).

En raison de la nature transitoire de la mesure, une seule mesure peut être obtenue en moins de quelques secondes, ce qui permet de recueillir un nombre statistiquement significatif de points de données en quelques minutes. La méthode MTPS est une méthode bien plus pratique pour collecter des données de conductivité thermique. Pour plus de détails sur les points de différence entre les méthodes, une comparaison plus détaillée est disponible ici.

Comparaison des résultats de conductivité thermique de la plaque chaude gardée et de la MTPS

Une pièce de CPVC a été caractérisée à la fois par la méthode ASTM C177 et la méthode MTPS d’analyse de la conductivité thermique dans des conditions de température ambiante (environ 25 ◦ Celsius). Les résultats sont présentés dans la figure 2.

Figure 2. Conductivité thermique du CPVC, mesurée par la norme ASTM C177 et par la méthode MTPS.

Conclusion

La conductivité thermique du CPVC, mesurée par la norme ASTM C177, était de 0,136 W/mK. La méthode Modified Transient Plane Source a été employée pour tester également le CPVC, et la conductivité thermique observée était de 0,139 W/mK. Les résultats des deux méthodes de test concordent à mieux que 2,5 %. Des études similaires testant le matériau de référence standard (SRM) de source NIST de polyStyrène expansé (EPS) ont confirmé une précision de performance similaire.

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