Medindo a condutividade térmica do cloreto de polivinila clorado (CPVC)

Cloreto de polivinila clorado (CPVC, Figura 1) é um polímero termoplástico derivado do cloreto de polivinila (PVC). Ele oferece melhor resistência à corrosão e térmica em relação ao PVC, e apresenta propriedades retardadoras de chama. Recentemente, fomos solicitados por um cliente para fornecer dados correlativos na caracterização da condutividade térmica do material através do método C-Therm’s Modified Transient Plane Source (MTPS) com os tradicionais dados de teste ASTM C-177 (guarded hot plate).

Motivando o interesse do nosso cliente é o entendimento de que enquanto o C-177 é um método bem confiável para medir a condutividade térmica – suas restrições de amostra e longos tempos de teste o tornam um desafio para trabalhar com ele. Comparativamente, a interface unilateral conveniente do MTPS oferece maior flexibilidade e eles desejam entender a correlação entre os métodos.

Cloreto de polivinil clorado usado como material de escolha para válvulas e tubos de canalização
Figure 1. CPVC é usado principalmente em canalizações, onde CPVC é o material de escolha para conexões, válvulas e tubos na maioria das aplicações.

Benefícios do CPVC

Um benefício substancial do uso de CPVC em canalizações é que ele se auto-extinguirá se não estiver em contato direto com uma chama. O CPVC também oferece uma ductilidade significativamente melhorada e resistência ao esmagamento em relação ao PVC. Estas propriedades contribuem para a grande popularidade deste material em aplicações de canalização. Em aplicações de canalização, a condutividade térmica do material é importante. Qualquer tubulação usada para transmitir água quente deve idealmente ter baixa condutividade térmica (ou alta resistência térmica). A condutividade térmica do material da canalização é um aspecto importante para maximizar a eficiência do sistema global de canalização.

Tipos de CPVC

CPVC inclui uma ampla classe de compostos poliméricos, com percentagens de cloração que variam de fabricante para fabricante. As propriedades térmicas do material, incluindo capacidade térmica específica, temperatura de transição vítrea e condutividade térmica, são altamente dependentes da composição do polímero.

Características do CPVC

Na caracterização da condutividade térmica, os pesquisadores têm tradicionalmente se inclinado para técnicas de estado estacionário, como a ASTM C-177. No entanto, nos últimos vinte anos, inovações em métodos transientes, como o MTPS, abriram oportunidades para métodos de teste mais rápidos, fáceis e versáteis. Isto oferece o potencial para melhorar os testes de controle de qualidade de peças reais e acelerar a caracterização R&D. A técnica Modified Transient Plane Source é amplamente considerada a mais consistente e precisa das técnicas transitórias. Uma comparação entre estas técnicas é apresentada abaixo.

Métodos para Medição da Condutividade Térmica de CPVC

Placa Quente Guardada

ASTM C177 (Placa Quente Guardada) é conhecido por ser um método absoluto e preciso de análise da condutividade térmica – é o método para o qual muitos outros padrões, como o ASTM C518, são calibrados. Para ser válido, as análises requerem a obtenção do estado estacionário térmico, definido da seguinte forma:

8.8.1 O estado estacionário térmico para fins deste método de ensaio é definido analiticamente como:

8.8.1.1 As temperaturas das superfícies quentes e frias são estáveis dentro da capacidade do equipamento nas condições de ensaio. Idealmente uma análise de erro determinará a magnitude das diferenças permitidas, porém a diferença é geralmente inferior a 0,1% da diferença de temperatura.

8.8.1.2 A potência da área de medição é estável dentro da capacidade do equipamento. Idealmente, uma análise de erro determinará a magnitude das diferenças permitidas, porém a diferença é normalmente inferior a 0,2% do resultado médio esperado.

8.8.1.3 As condições exigidas acima existem durante pelo menos quatro intervalos de 30 minutos de duração ou quatro constantes de tempo do sistema, o que for mais longo.

(ASTM C177)

Realização subsequente de estado estacionário, três execuções de aquisição de dados são completadas, cada uma levando um mínimo de 30 minutos, para um tempo total mínimo de teste de pelo menos 3,5 horas, frequentemente muito mais longo para amostras espessas, microporosas, ou especialmente densas. Não é raro que amostras isoladas levem um dia para serem testadas. O teste de amostras rígidas – incluindo vidros, cerâmicas e polímeros abaixo da temperatura de transição vítrea – via C177 requer um extenso preparo das amostras para garantir que os planos das amostras sejam paralelos e planos na mesma extensão que as placas, o que resulta em requisitos de usinagem extensivos e altamente precisos. Também, C177 requer que sejam tomadas precauções especiais para materiais com condutividade térmica superior a 0,1 W/mK, e para amostras de preenchimento solto (ver secções 7.2.2 e 7.2.4 na ASTM C177 bem como na ASTM C687 para mais informações).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Em contraste, o método Modified Transient Plane Source (MTPS) de análise de condutividade térmica é um método transiente unilateral. Um teste consiste em um pulso de calor transiente que é aplicado à superfície da amostra através da bobina de platina do sensor. Ao mesmo tempo que a bobina do sensor aquece, o anel de proteção também é aquecido, garantindo que o fluxo de calor para a amostra seja unidimensional (para o curto tempo de teste empregado).

Por causa da natureza transitória da medição, é possível obter uma única medição em poucos segundos, permitindo a recolha de um número estatisticamente significativo de pontos de dados em questão de minutos. O método MTPS é um método muito mais conveniente para a coleta de dados de condutividade térmica. Para maiores detalhes sobre os pontos de diferença entre os métodos, uma comparação mais detalhada está disponível aqui.

Comparação dos Resultados da Condutividade Térmica da Placa Quente Guardada e MTPS

Uma peça de CPVC foi caracterizada tanto pela ASTM C177 como pelo método MTPS de análise da condutividade térmica em condições de temperatura ambiente (aproximadamente 25 ◦ Celsius). Os resultados são mostrados na Figura 2.

Figure 2. Condutividade térmica do CPVC, medida pela ASTM C177 e pelo MTPS.

Conclusão

A condutividade térmica do CPVC medida pela ASTM C177 foi de 0,136 W/mK. O método Modified Transient Plane Source foi empregado para testar também o CPVC, e a condutividade térmica observada foi de 0,139 W/mK. Os resultados para os dois métodos de teste estão de acordo com melhor que 2,5%. Estudos similares testando o Material de Referência Padrão de Fonte NIST (SRM) de Poliestireno Expandido (EPS) confirmaram precisão de desempenho semelhante.

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