Medición de la conductividad térmica del cloruro de polivinilo clorado (CPVC)

El cloruro de polivinilo clorado (CPVC, figura 1) es un polímero termoplástico derivado del cloruro de polivinilo (PVC). Ofrece una mayor resistencia térmica y a la corrosión que el PVC, y presenta propiedades ignífugas. Recientemente, un cliente nos pidió que proporcionáramos datos correlativos en la caracterización de la conductividad térmica del material a través del método de fuente plana transitoria modificada (MTPS) de C-Therm con los datos de la prueba tradicional ASTM C-177 (placa caliente protegida).

El interés de nuestro cliente se debe a que, si bien el C-177 es un método muy fiable para medir la conductividad térmica, sus restricciones de muestras y los largos tiempos de ensayo hacen que sea difícil trabajar con él. En comparación, la cómoda interfaz del MTPS ofrece una mayor flexibilidad y desean comprender la correlación entre los métodos.

El cloruro de polivinilo clorado se utiliza como material de elección para válvulas y tuberías de fontanería
Figura 1. El CPVC se utiliza principalmente en fontanería, donde el CPVC es el material elegido para los accesorios, las válvulas y las tuberías en la mayoría de las aplicaciones.

Beneficios del CPVC

Una ventaja sustancial del uso del CPVC en las tuberías es que se autoextingue si no está en contacto directo con una llama. El CPVC también ofrece una ductilidad y una resistencia al aplastamiento significativamente mejores que las del PVC. Estas propiedades contribuyen a la gran popularidad de este material para aplicaciones de fontanería. En las aplicaciones de fontanería, la conductividad térmica del material es importante. Cualquier tubería utilizada para transmitir agua caliente debe tener idealmente una baja conductividad térmica (o una alta resistencia térmica). La conductividad térmica del material de las tuberías es un aspecto importante para maximizar la eficiencia de todo el sistema de fontanería.

Tipos de CPVC

El CPVC incluye una amplia clase de compuestos poliméricos, con porcentajes de cloración que varían según el fabricante. Las propiedades térmicas del material, incluida la capacidad calorífica específica, la temperatura de transición vítrea y la conductividad térmica, dependen en gran medida de la composición del polímero.

Características del CPVC

Al caracterizar la conductividad térmica, los investigadores se han inclinado tradicionalmente por técnicas de estado estacionario como la ASTM C-177. Sin embargo, en los últimos veinte años, las innovaciones en los métodos transitorios, como el MTPS, han abierto oportunidades para métodos de ensayo más rápidos, fáciles y versátiles. Esto ofrece la posibilidad de mejorar las pruebas de control de calidad de las piezas reales y la caracterización acelerada de R&D. La técnica de la Fuente de Planos Transitorios Modificada se considera la más consistente y precisa de las técnicas transitorias. A continuación se presenta una comparación entre estas técnicas.

Métodos para medir la conductividad térmica del CPVC

Placa caliente protegida

La norma ASTM C177 (Placa caliente protegida) es conocida por ser un método absoluto y preciso de análisis de la conductividad térmica; es el método con el que se calibran muchas otras normas, como la ASTM C518. Para ser válidos, los análisis requieren que se alcance el estado térmico estable, definido como sigue:

8.8.1 El estado térmico estable para los fines de este método de ensayo se define analíticamente como:

8.8.1.1 Las temperaturas de las superficies caliente y fría son estables dentro de la capacidad del equipo en las condiciones de ensayo. Lo ideal es que un análisis de errores determine la magnitud de las diferencias admisibles, aunque la diferencia suele ser inferior al 0,1 % de la diferencia de temperatura.

8.8.1.2 La potencia de la zona de medición es estable dentro de la capacidad del equipo. En el mejor de los casos, un análisis de errores determinará la magnitud de las diferencias admisibles; sin embargo, la diferencia suele ser inferior al 0,2 % del resultado medio previsto.

8.8.1.3 Las condiciones requeridas anteriormente existen durante al menos cuatro intervalos de 30 min de duración o cuatro constantes de tiempo del sistema, lo que sea más largo.

(ASTM C177)

Después de alcanzar el estado estacionario, se completan tres recorridos de adquisición de datos, cada uno de los cuales dura un mínimo de 30 minutos, para un tiempo mínimo total de ensayo de al menos 3,5 horas, a menudo mucho más para muestras gruesas, microporosas o especialmente densas. No es raro que una sola muestra tarde un día en realizarse. El ensayo de muestras rígidas -incluidos vidrios, cerámicas y polímeros por debajo de su temperatura de transición vítrea- mediante el C177 requiere una amplia preparación de la muestra para garantizar que los planos de la muestra sean paralelos y planos en la misma medida que las placas, lo que da lugar a requisitos de mecanizado amplios y muy precisos. Además, el método C177 exige que se tomen precauciones especiales para los materiales con una conductividad térmica superior a 0,1 W/mK y para las muestras de relleno suelto (véanse las secciones 7.2.2 y 7.2.4 de la norma ASTM C177, así como la norma ASTM C687 para obtener más información).

Fuente de planos transitorios modificada (MTPS)

En cambio, el método de la Fuente de planos transitorios modificada (MTPS) para el análisis de la conductividad térmica es un método transitorio unilateral. La prueba consiste en un pulso de calor transitorio que se aplica a la superficie de la muestra a través de la bobina de platino del sensor. Al mismo tiempo que se calienta la bobina del sensor, se calienta también el anillo de protección, lo que garantiza que el flujo de calor hacia la muestra sea unidimensional (para el corto tiempo de prueba empleado).

Debido a la naturaleza transitoria de la medición, se puede obtener una sola medición en menos de unos pocos segundos, lo que permite recoger un número estadísticamente significativo de puntos de datos en cuestión de minutos. El método MTPS es un método mucho más conveniente para recoger datos de conductividad térmica. Para obtener más detalles sobre los puntos de diferencia entre los métodos, se puede consultar una comparación más detallada aquí.

Comparación de los resultados de conductividad térmica de la placa caliente protegida y del MTPS

Se caracterizó una pieza de CPVC tanto por el método ASTM C177 como por el método MTPS de análisis de conductividad térmica en condiciones de temperatura ambiente (aproximadamente 25 ◦ Celsius). Los resultados se muestran en la figura 2.

Figura 2. Conductividad térmica del CPVC, medida por ASTM C177 y por MTPS.

Conclusión

La conductividad térmica del CPVC medida por ASTM C177 fue de 0,136 W/mK. También se empleó el método de fuente plana transitoria modificada para probar el CPVC, y la conductividad térmica observada fue de 0,139 W/mK. Los resultados de los dos métodos de prueba coinciden en más de un 2,5%. Estudios similares en los que se probó el material de referencia estándar (SRM) de fuente NIST de poliestireno expandido (EPS) confirmaron una precisión de rendimiento similar.

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