Экструзионный пенополистирол

Определение теплопроводности пенополистиролов

Определение теплопроводности исследуемых в работе материалов производилось в соответствии с ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопро­тивления при стационарном тепловом режиме» [33].

Сущность метода заключается в измерении термического сопротивле­ния R, (м2-°С/Вт) плоского образца определенной толщины h (м) в условиях созданного стационарного теплового потока, проходящего через этот обра­зец и направленного перпендикулярно к его лицевым (наибольшим) граням. Термическое сопротивление определяется по результатам измерений плотно­сти теплового потока q (Вт/м2) и температуры противоположных лицевых граней ть т2 (°С), по следующей формуле [120]:

(2.1)

Искомый коэффициент теплопроводности материала является от­ношением толщины испытываемого образца h к его термическому сопротив­лению R,

Kff=h/R(2.2)

Для измерения теплопроводности при стационарном режиме исследуе­мых в работе пенополистиролов использовался прибор ИТІ1-МГ4 «250» (внесен в Госреестр РФ под № 30484-05, производитель ООО «СКБ Строй - прибор»), Данный прибор предназначен для определения теплопроводности и термического сопротивления строительных материалов, а также материа­лов, предназначенных для тепловой изоляции промышленного оборудования и тр) ч опроводов, при стационарном режиме и методом теплового зонда [53].

Конструктивно прибор ИТІІ-МГ4 «250» состоит из двух блоков (рис. 2.1):

• электронного блока;

• нагревателя-преобразователя, выпол­ненного в виде стационарной установки.

Основные технические характеристики

Представленный прибор собран по асимметричной схеме, оснащенной одним тепломером, который расположен между образцом и горячей плитой прибора (рис. 2.2) [33].

Испытания проводились на образ­цах пенополистирола формы прямоуголь­ного параллелепипеда размером 250 х х 250 х 40 (мм).

Стационарная установка прибора (рис. 2.3) состоит из блока управления нагревателем и холодильника, выпол­ненных на элементах Пельтье, тепломера, платиновых датчиков температу­ры, устройства преобразования первичных сигналов датчиков, а также ис­точника питания. Охлаждение элементов Пельтье осуществляется вентиля-

Тором.

В верхней части установки находится прижимной винт, снабженный отсчетпым устройством для измерения толщины образца и динамометриче­ским устройством с трещоткой для создания постоянного усилия прижатия испытываемого образца.

Микропроцессорное устройство электронного блока обеспечивает из­мерение сигналов датчиков, управление стационарной установкой, индика­цию и сохранение результатов измерений [53].

Вычисление Xeff и Rt (при стационарном тепловом режиме) производит­ся вычислительным устройством по формулам:

Xeff = Н • q / (Т! - т2), Ri — (ті — т2) / q — 2-Rk,

Где ть т2 - температура горячей и холодной грани измеряемого образца соот­ветственно, °С; R/c - термическое сопротивление между лицевой гранью об­разца и рабочей поверхностью плиты прибора (учитывается при калибровке), м2-°С/Вт.

Длина и ширина образцов пенополистирола определялась с помощью линейки металлической [32] с пределом допустимой погрешности ± 0,5 мм. За результат измерений принималось среднее арифметическое значение из-
мереиий длины (ширины) образца в трех местах: на расстоянии 50 ± 5 мм от каждого края и посередине изделия.

Толщина исследуемых образцов измерялась штангенциркулем [26] с пределом допустимой погрешности ±0,1 мм. За результат измерений прини­малось среднее арифметическое значение измерений толщины образца в че­тырех местах посередине каждой стороны.

Для испытаний отбирались образцы без значимых дефектов по внеш­нему виду (отбитость углов, притупленность ребер, впадины, выпуклости и пр.) и правильной геометрической формы (отклонение лицевых граней от па­раллельности не более 0,5 мм).

В соответствии с рекомендациями [53] разница температур нагревателя Т| и холодильника т2 для образцов ЭППС толщиной 40 мм, имеющих тепло­проводность менее 0,04 Вт/м-°С, была принята 40 °С (т! =55 °С, т2 = 15 °С).

Порядок действий для проведения измерений [53]:

• подключаются все элементы прибора к сети;

• открывается установка и в нее помещается образец. Зазор между пли­той нагревателя и образцом должен составлять от 2 до 5 мм, что устанавли­вается вращением микрометрического винта (рис. 2.3);

• закрывается установка и зажимается образец с помощью вращения микрометрического винта до момента срабатывания трещотки динамометри­ческого устройства, при котором давление на измеряемый образец составляет 2,5 кПа;

• на электронном блоке устанавливается толщина измеряемого образца и значения температур ть т2, после чего прибор запускается в работу. Далее программное устройство автоматически устанавливает стационарный тепло­вой поток, проходящий через измеряемый образец, при заданных температу­рах горячей и холодной грани образца (с точностью 0,2 °С) и производит вы­числение искомых величин;

• результаты измерений снимаются с дисплея электронного блока при­бора (рис. 2.4), которые автоматически архивируются и маркируются датой и временем измерений по их окопчанию.

Для определения Xeff на образцах толщиной менее 5 мм использовался факультативный метод определения теплопроводности на приборе LFA 457 MicroFlash (метод лазерной вспышки Паркера [159]).

На рис. 2.5. 2.6 представлены общий вид прибора LFA 457 MicroFlash , Основные компоненты установки и схема измерительной части [154].

Сущность определения тепло­проводности методом лазерной вспышки заключается в следующем. Нижняя сторона плоскопараллельно - го образца наїреваетея коротким ла­зерным импульсом. Полученное теп­ло распространяется по образцу и вы­зывает повышение температуры его противоположной верхней поверхно­сти (рис. 2.7).

Рост температуры со временем измеряется с помощью инфракрасного детектора. По данной зависимости рассчитывается температуропровод - ность а (м /с) и теплоемкость ср (Дж'кг-К) материала. При известном значении плотности материала р (кг/м ) Xeff определяется исходя из по­лученных данным но температуропроводности и теплоемкости:

Хе//(Т)=а(Т)-ср(Т) - рГа (2-5)

На нижней стороне тестируемого образца измеряется повышение температуры как функция времени. Математический анализ функции зави­симости температуры от времени позволяет опре­делить температуропроводность (рис. 2.8). Расчет

Коэффициента а для адиабатических условий оп-

/

Ределяется по следующей формуле:

А = 0,1388 D2 / Tn , (2.6)

Где d - диаметр образца, см; г1^ - время подъема
температуры на 50 %, измеряемой на заданной поверхности тестируемого образца, с.

Определение ср осуществля­ется сравнительным методом по отношению к эталонным образ­цам:

Ср = Q! (Ттах • т), (2.7) где Q - энергия, поглощенная об - « разцом, Дж; Ттах - температура перегрева образца, °С; т — масса образца, кг.

Основные характеристики установки представлены в табл. 2.2 [156].

Таблица 2.2

Работа на приборе выполняется в следующем порядке:

1) подготовка образцов;

2) подготовка и включение печи;

3) обработка результатов эксперимента.

Для измерения теплопроводности пенополистирола методом лазерной вспышки изготавливались образцы в форме цилиндров диаметром 10 мм и высотой 2 мм с плоскопараллельными внешними гранями.

Перед испытанием образцы просушивались в печи до постоянной мас­сы при температуре 50 °С, после чего проводились измерения диаметра, толщины и массы.

Геометрические измерения образцов проводились с помощью элек­тронного штангенциркуля марки Mahr 16 iLY" (технические характеристики: диапазон измерений 150 мм, цена деления 0,01 мм, предел ошибки 0,03 мм) [57].

Для определения массы образцов использовались электронные микро­весы Mettler Toledo ХР26 (технические характеристики: пределы взвешива­ния 0,0021...22 г; дискретность 1 мкг) [43].

Перед испытанием для улучшения поглощения лазерной вспышки по­верхностью материала лицевые грани образца покрывались тонким слоем графита, что необходимо для увеличения степени черноты поверхности, по­скольку максимально приближает ее к параметру абсолютно черного тела.

Из-за наличия открытой пористости на поверхности образцов на их ли­цевые грани с двух сторон аккуратно приклеивался лист фольги, который по­сле покрывался тонким слоем графита (рис. 2.9).

Верстием посередине. Затем держатель помещался ь кассету и закрывался поднимающейся печью.

Для охлаждения приемного датчика - инфракрасного детектора — использовался жидкий азот.

Перед запуском эксперимента в ра­бочем пространстве печи необходимо создать инертную атмосферу, что дости­галось за счет разряжения в эксперимен­тальной зоне установки создаваемого ва­куумным насосом и продуванием инерт­ным газом — аргоном со скоростью 100 мл/мин.

Обработка результатов эксперимента производилась в программе Proteus LFA Analyst: в которой проводится анализ полученных данных ме­тодом сравнения с эталонным материалом по заданной математической мо­дели:

• расчет температурной зависимости удельной теплоемкости ср(Т)

• расчет температурной зависимости теплопроводности ед(Т).