Pomiar przewodności cieplnej chlorowanego polichlorku winylu (CPVC)

Chlorowany polichlorek winylu (CPVC, rysunek 1) jest termoplastycznym polimerem wywodzącym się z polichlorku winylu (PVC). Oferuje on lepszą odporność na korozję i odporność termiczną w porównaniu z PVC, a także wykazuje właściwości zmniejszające palność. Ostatnio, klient zwrócił się do nas z prośbą o przedstawienie korelacji danych charakteryzujących przewodność cieplną materiału przy zastosowaniu metody MTPS (Modified Transient Plane Source) z tradycyjną metodą ASTM C-177 (gorąca płyta z osłoną).

Motywacją dla naszego klienta było zrozumienie, że podczas gdy C-177 jest dobrze sprawdzoną metodą pomiaru przewodności cieplnej, to ograniczenia dotyczące próbek i długi czas badań czynią ją trudną do zastosowania. Dla porównania, jednostronny wygodny interfejs MTPS oferuje większą elastyczność i klient chciałby zrozumieć korelację pomiędzy tymi metodami.

Chlorowany polichlorek winylu stosowany jako materiał z wyboru do zaworów i rur hydraulicznych
Rysunek 1. CPVC jest stosowany głównie w instalacjach wodno-kanalizacyjnych, gdzie CPVC jest materiałem z wyboru dla kształtek, zaworów i rur w większości zastosowań.

Zalety CPVC

Jedną z istotnych zalet stosowania CPVC w rurociągach jest to, że samoczynnie gaśnie, jeśli nie jest w bezpośrednim kontakcie z płomieniem. CPVC oferuje również znacznie lepszą ciągliwość i odporność na zgniatanie w porównaniu z PVC. Te właściwości przyczyniają się do wielkiej popularności tego materiału w zastosowaniach hydraulicznych. W zastosowaniach hydraulicznych ważna jest przewodność cieplna materiału. Każda rura używana do przesyłania gorącej wody powinna charakteryzować się niską przewodnością cieplną (lub wysokim oporem cieplnym). Przewodność cieplna materiału rurowego jest ważnym aspektem w maksymalizacji wydajności całego systemu hydraulicznego.

Typy CPVC

CPVC obejmuje szeroką klasę związków polimerowych, z procentami chlorowania, które różnią się w zależności od producenta. Właściwości termiczne materiału, w tym pojemność cieplna właściwa, temperatura zeszklenia i przewodność cieplna, w dużym stopniu zależą od składu polimeru.

Charakterystyka CPVC

W charakterystyce przewodności cieplnej badacze tradycyjnie skłaniali się ku technikom stanu ustalonego, takim jak ASTM C-177. Jednakże, w ciągu ostatnich dwudziestu lat, innowacje w zakresie metod badań w warunkach nieustalonych, takich jak MTPS, otworzyły możliwości zastosowania szybszych, łatwiejszych i bardziej uniwersalnych metod badawczych. Daje to możliwość poprawy jakości badań kontrolnych rzeczywistych części oraz przyspieszonej charakterystyki R&D. Technika Modified Transient Plane Source jest powszechnie uważana za najbardziej spójną i dokładną spośród technik przejściowych. Porównanie tych technik przedstawiono poniżej.

Methods for Measuring Thermal Conductivity of CPVC

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) jest znaną i dokładną metodą analizy przewodności cieplnej – jest to metoda, do której kalibrowanych jest wiele innych norm, takich jak ASTM C518. Aby analiza była ważna, wymaga osiągnięcia ustalonego stanu termicznego, zdefiniowanego w następujący sposób:

8.8.1 Ustalony stan termiczny dla celów niniejszej metody badawczej definiuje się analitycznie jako:

8.8.1.1 Temperatury gorących i zimnych powierzchni są stabilne w ramach możliwości sprzętu w warunkach badania. W idealnym przypadku analiza błędów określi wielkość dopuszczalnych różnic, jednakże różnica jest zazwyczaj mniejsza niż 0,1 % różnicy temperatur.

8.8.1.2 Moc w obszarze pomiarowym jest stabilna w ramach możliwości sprzętu. W idealnym przypadku analiza błędu określi wielkość dopuszczalnych różnic, jednak różnica jest zwykle mniejsza niż 0,2 % oczekiwanego średniego wyniku.

8.8.1.3 Powyższe wymagane warunki występują podczas co najmniej czterech przedziałów czasowych trwających 30 min lub czterech stałych czasowych systemu, w zależności od tego, który z nich jest dłuższy.

(ASTM C177)

Po osiągnięciu stanu ustalonego wykonuje się trzy przebiegi akwizycji danych, z których każdy trwa co najmniej 30 minut, co daje całkowity minimalny czas badania wynoszący co najmniej 3,5 godziny, często znacznie dłuższy w przypadku próbek grubych, mikroporowatych lub szczególnie gęstych. Nie jest rzadkością, że badanie pojedynczych próbek może trwać cały dzień. Badanie próbek sztywnych – w tym szkła, ceramiki i polimerów o temperaturze poniżej temperatury zeszklenia – z zastosowaniem próby C177 wymaga intensywnego przygotowania próbki w celu zapewnienia, że płaszczyzny próbki są równoległe i płaskie w takim samym stopniu jak płyty, co powoduje konieczność wykonania rozległej i bardzo precyzyjnej obróbki mechanicznej. Ponadto, norma C177 wymaga podjęcia szczególnych środków ostrożności w przypadku materiałów o przewodności cieplnej powyżej 0.1 W/mK oraz próbek o luźnym wypełnieniu (więcej informacji w rozdziałach 7.2.2 i 7.2.4 normy ASTM C177 oraz ASTM C687).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

W przeciwieństwie do metody Modified Transient Plane Source (MTPS), metoda analizy przewodności cieplnej jest metodą jednostronnie zmienną. Test składa się z przejściowego impulsu cieplnego, który jest aplikowany na powierzchnię próbki poprzez platynową cewkę czujnika. W tym samym czasie, gdy cewka czujnika nagrzewa się, podgrzewany jest również pierścień ochronny, co zapewnia, że przepływ ciepła do próbki jest jednowymiarowy (dla zastosowanego krótkiego czasu testu).

Ze względu na przejściowy charakter pomiaru, pojedynczy pomiar można uzyskać w czasie krótszym niż kilka sekund, co pozwala na zebranie statystycznie istotnej liczby punktów danych w ciągu kilku minut. Metoda MTPS jest znacznie wygodniejszą metodą zbierania danych o przewodności cieplnej. W celu uzyskania dalszych szczegółów dotyczących różnic pomiędzy tymi metodami, bardziej szczegółowe porównanie jest dostępne tutaj.

Porównanie wyników badań przewodności cieplnej z zastosowaniem strzeżonej płyty grzejnej i metody MTPS

Część CPVC scharakteryzowano zarówno metodą ASTM C177 jak i metodą MTPS analizy przewodności cieplnej w warunkach temperatury pokojowej (około 25 ◦ Celsjusza). Wyniki przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Przewodność cieplna CPVC, zmierzona wg ASTM C177 i MTPS.

Wnioski

Przewodność cieplna CPVC zmierzona wg ASTM C177 wynosiła 0,136 W/mK. Do badań CPVC zastosowano również metodę Zmodyfikowanego Przejściowego Źródła Płaszczyznowego, a zaobserwowana przewodność cieplna wyniosła 0,139 W/mK. Wyniki dla obu metod badawczych zgadzają się w zakresie lepszym niż 2,5%. Podobne badania przeprowadzone na standardowym materiale odniesienia (SRM) ekspandowanego polistyrenu (EPS) pochodzącym z NIST potwierdziły podobną dokładność wyników.

Leave a Reply

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.