塩素化ポリ塩化ビニル(CPVC)の熱伝導率を測定する

塩素化ポリ塩化ビニル(CPVC、図1)は、ポリ塩化ビニル(PVC)から派生した熱可塑性ポリマーであります。 PVCに比べ耐食性、耐熱性が向上し、難燃性も備えています。 最近、C-Therm の MTPS (Modified Transient Plane Source) 法による材料の熱伝導率と従来の ASTM C-177 (ガード付きホットプレート) 試験データの相関データを提供するよう顧客から依頼がありました。

C-177 は熱伝導率を測定するための信頼性の高い方法ですが、サンプルの制限と試験時間が長いため、作業が困難であるということが、クライアントの関心を高める原動力となりました。

 配管バルブやパイプの最適な材料として使用される塩素化ポリ塩化ビニル
図1. CPVCは主に配管で使用され、CPVCはほとんどの用途で継手、バルブ、パイプの材料として選ばれています。

CPVCの利点

配管でCPVCを使用することの一つの重要な利点は、炎と直接接触していなければ自己消火することです。 CPVC はまたかなり改善された延性およびクラッシュの抵抗をポリ塩化ビニールと関連して提供します。 これらの特性により、配管用途として高い人気を誇っている。 配管用途では、材料の熱伝導率が重要である。 お湯を通す配管は、熱伝導率が低い(または熱抵抗が高い)ことが理想である。

CPVC の種類

CPVC は、幅広い種類の高分子化合物を含み、塩素化率は製造業者によって異なる。 比熱、ガラス転移温度、熱伝導率など、材料の熱特性はポリマー組成に大きく依存します。

CPVC

熱伝導率を評価する際、研究者は伝統的に ASTM C-177 などの定常技術に傾倒してきました。 しかし、過去 20 年以上にわたって、MTPS などの過渡的な手法の革新により、より速く、簡単で、汎用性の高い試験法を実現する機会が生まれてきました。 これにより、実際の部品の品質管理試験の改善やR&D特性評価の迅速化などの可能性が生まれています。 Modified Transient Plane Source 法は、過渡現象の手法の中で最も一貫性があり、正確であると広く考えられています。

Methods for Measuring Thermal Conductivity of CPVC

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) は、熱伝導分析の絶対正確法として知られており、 ASTM C518 など他の多くの標準が校正されている方法でもあります。

8.8.1 この試験方法の目的である熱的定常状態は、次のように分析的に定義されます:

8.8.1.1 熱面と冷面の温度は試験条件において装置の能力内で安定している。 理想的には誤差分析によって許容差の大きさが決定されるが、その差は通常温度差の 0.1 %未満である。

8.8.1.2 計量部への電力は装置の能力の範囲内で安定している。 理想的には誤差分析が許容差の大きさを決定するが、その差は通常期待される平均結果の 0.2 %未満である。

8.8.1.3 上記の要求条件は、少なくとも 4 つの間隔 30 分間または 4 システム時定数、どちらか長い方の間存在すること。

(ASTM C177)

定常状態を達成した後、3回のデータ取得を行い、それぞれ最低30分、合計最低試験時間は3.5時間、厚い、微細孔のある、または特に密度の高い試料ではもっと長くかかることがよくあります。 1つの試料で1日かかることも珍しくありません。 ガラス、セラミックス、ガラス転移温度以下のポリマーなど、硬い試料をC177で測定するには、試料の平面がプレートと同じ程度に平行かつ平坦であることを確認するために、大規模な試料準備が必要で、その結果、大規模かつ高精度な機械加工が要求されることになります。 また、C177では、熱伝導率が0.1W/mKを超える材料や、ルーズフィル試料に対して特別な注意を払う必要があります(詳細はASTM C687と同様にASTM C177の7.2.2および7.2.4項参照)

Modified Transient Plane Source (MTPS)

一方、熱伝導解析における修正過渡平面法(MTPS)は一方法であり、熱電変換器(TEM)を用いることで、熱伝導率(TEM)の測定が可能です。 試験は、センサーの白金コイルを通してサンプル表面に印加される過渡熱パルスで構成される。 センサーコイルが加熱されると同時に、ガードリングも加熱され、試料への熱流が(採用された短い試験時間に対して)一次元的に確保されます。

測定の過渡的な性質により、1回の測定は数秒以下で行うことができ、数分のうちに統計的に有意な数のデータポイントを収集することが可能です。 MTPS法は、熱伝導率データの収集方法として、はるかに利便性の高い方法です。

ガード付きホットプレートと MTPS の熱伝導率結果の比較

CPVC の一部を ASTM C177 と MTPS 法の両方で、室温条件(約 25 ◦ Celsius)で熱伝導率分析の特性を測定しました。 その結果を図2に示します。

Figure 2. ASTM C177とMTPSで測定したCPVCの熱伝導率。

結論

ASTM C177で測定したCPVCの熱伝導率は0.136W/mKでした。 また、修正された過渡的平面音源法を使用して CPVC を試験したところ、観測された熱伝導率は 0.139 W/mK でした。 この2つの試験方法の結果は、2.5%以内の精度で一致しています。 NISTソースの発泡ポリスチレン(EPS)の標準物質(SRM)を試験した同様の研究でも、同様の性能精度が確認されています。

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