Mätning av värmeledningsförmågan hos klorerad polyvinylklorid (CPVC)

Klorerad polyvinylklorid (CPVC, figur 1) är en termoplastisk polymer som härrör från polyvinylklorid (PVC). Den har bättre korrosions- och värmebeständighet än PVC och har flamskyddande egenskaper. Nyligen ombads vi av en kund att tillhandahålla korrelativa data för att karakterisera materialets värmeledningsförmåga med hjälp av C-Therms MTPS-metod (Modified Transient Plane Source) och traditionella testdata enligt ASTM C-177 (bevakad värmeplatta).

Det som motiverar vår kunds intresse är förståelsen för att C-177 visserligen är en välkänd metod för att mäta värmeledningsförmåga, men att dess provrestriktioner och långa testtider gör den utmanande att arbeta med. Jämförelsevis erbjuder MTPS ensidiga bekväma gränssnitt större flexibilitet och de vill förstå korrelationen mellan metoderna.

Klorerad polyvinylklorid som används som det bästa materialet för VVS-ventiler och rör
Figur 1. CPVC används främst inom VVS, där CPVC är det material som väljs för kopplingar, ventiler och rör i de flesta tillämpningar.

Fördelar med CPVC

En väsentlig fördel med att använda CPVC i rörledningar är att det självslocknar om det inte kommer i direkt kontakt med en låga. CPVC har också en avsevärt förbättrad duktilitet och krossbeständighet jämfört med PVC. Dessa egenskaper bidrar till detta materials stora popularitet för rörledningstillämpningar. I VVS-tillämpningar är materialets värmeledningsförmåga viktig. Alla rör som används för att överföra varmvatten bör helst ha låg värmeledningsförmåga (eller hög värmebeständighet). Rörmaterialets värmeledningsförmåga är en viktig aspekt när det gäller att maximera effektiviteten i det totala VVS-systemet.

Typer av CPVC

CPVC omfattar en bred klass av polymerföreningar, med kloreringsprocent som varierar från tillverkare till tillverkare. Materialets termiska egenskaper, inklusive specifik värmekapacitet, glasövergångstemperatur och värmeledningsförmåga, är starkt beroende av polymerens sammansättning.

Kännetecken för CPVC

Vid karakterisering av värmeledningsförmågan har forskarna traditionellt lutat sig mot steady-state-tekniker som ASTM C-177. Under de senaste tjugo åren har dock innovationer inom transienta metoder, t.ex. MTPS, öppnat möjligheter till snabbare, enklare och mer mångsidiga testmetoder. Detta ger möjlighet till förbättrad kvalitetskontrollprovning av verkliga delar och accelererad R&D-karaktärisering. Tekniken Modified Transient Plane Source anses allmänt vara den mest konsekventa och noggranna av de transienta teknikerna. En jämförelse mellan dessa tekniker presenteras nedan.

Metoder för mätning av CPVC:s värmeledningsförmåga

Guarded Hot Plate

ASTM C177 (Guarded Hot Plate) är känd för att vara en absolut, exakt metod för analys av värmeledningsförmåga – det är den metod som många andra standarder, t.ex. ASTM C518, är kalibrerade efter. För att analyserna ska vara giltiga krävs att termiskt stabilt tillstånd uppnås, vilket definieras enligt följande:

8.8.1 Termiskt stabilt tillstånd för denna testmetod definieras analytiskt som:

8.8.1.1.1 Temperaturerna på de varma och kalla ytorna är stabila inom ramen för utrustningens kapacitet vid testförhållandena. I idealfallet kommer en felanalys att bestämma storleken på de tillåtna skillnaderna, men skillnaden är vanligtvis mindre än 0,1 % av temperaturskillnaden.

8.8.1.2 Strömmen till mätområdet är stabil inom ramen för utrustningens kapacitet. I idealfallet kommer en felanalys att fastställa storleken på de tillåtna skillnaderna, men skillnaden är vanligen mindre än 0,2 % av det förväntade genomsnittsresultatet.

8.8.1.3 Ovanstående kravförhållanden föreligger under minst fyra intervaller med en varaktighet på 30 minuter eller fyra systemtidskonstanter, beroende på vilket som är längst.

(ASTM C177)

När stabilt tillstånd har uppnåtts, avslutas tre datainsamlingskörningar som var och en tar minst 30 minuter, för en sammanlagd minsta provningstid på minst 3,5 timmar, ofta mycket längre för tjocka, mikroporösa eller särskilt täta prover. Det är inte ovanligt att det tar en dag att köra enskilda prover. Testning av styva prover – inklusive glas, keramik och polymerer under deras glasövergångstemperatur – med C177 kräver omfattande provberedning för att säkerställa att provplanen är parallella och plana i samma utsträckning som plåtarna, vilket resulterar i omfattande och mycket exakta bearbetningskrav. Dessutom kräver C177 att särskilda försiktighetsåtgärder vidtas för material med värmeledningsförmåga över 0,1 W/mK och för prover med lös fyllning (se avsnitten 7.2.2 och 7.2.4 i ASTM C177 samt ASTM C687 för mer information).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Däremot är Modified Transient Plane Source (MTPS)

Metoden för analys av värmeledningsförmåga är en ensidig transient metod. Ett test består av en transient värmepuls som appliceras på provytan genom sensorns platinaspole. Samtidigt som sensorns spole värms upp, värms även skyddsringen upp, vilket säkerställer att värmeflödet till provet är endimensionellt (för den korta testtid som används).

På grund av mätningens övergående karaktär kan en enda mätning erhållas på mindre än några sekunder, vilket gör det möjligt att samla in ett statistiskt signifikant antal datapunkter på några minuter. MTPS-metoden är en mycket bekvämare metod för att samla in data om värmeledningsförmåga. För ytterligare detaljer om skillnaderna mellan metoderna finns en mer detaljerad jämförelse här.

Varje jämförelse av värmeledningsresultat från Guarded Hot Plate och MTPS

En bit CPVC karakteriserades både med ASTM C177 och MTPS-metoden för analys av värmeledningsförmåga vid rumstemperaturförhållanden (cirka 25 ◦ Celsius). Resultaten visas i figur 2.

Figur 2. Värmekonduktivitet för CPVC, mätt enligt ASTM C177 och MTPS.

Slutsats

Värmekonduktiviteten för CPVC enligt ASTM C177 var 0,136 W/mK. Metoden Modified Transient Plane Source användes också för att testa CPVC, och den observerade värmeledningsförmågan var 0,139 W/mK. Resultaten för de två testmetoderna överensstämmer med mer än 2,5 %. Liknande studier som testar standardreferensmaterial (SRM) av expanderad polystyren (EPS) från NIST-källan bekräftar en liknande noggrannhet.

Lämna ett svar

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.