Jak zmierzyć przewodność cieplną polimerów?

Istnieje kilka sposobów pomiaru przewodności cieplnej. Przewodność cieplną tworzyw sztucznych mierzy się zazwyczaj zgodnie z ASTM C177 i ISO 8302, przy użyciu urządzenia z gorącą płytą z osłoną. Urządzenie z osłoniętą płytą grzejną jest powszechnie uznawane za podstawową bezwzględną metodę pomiaru właściwości przenikania ciepła jednorodnych materiałów izolacyjnych w postaci płaskich płyt.

Płyta grzewcza z osłoną — Stałą próbkę materiału umieszcza się między dwiema płytami. Jedna płyta jest podgrzewana, a druga jest chłodzona lub podgrzewana w mniejszym stopniu. Temperaturę płytek monitoruje się aż do jej ustabilizowania się. Temperatury w stanie ustalonym, grubość próbki i dopływ ciepła do płyty grzejnej są wykorzystywane do obliczania przewodności cieplnej. Przewodność cieplną k oblicza się ze wzoru:

Gdzie:

• Q to ilość ciepła przechodzącego przez obszar podstawy próbki [W]
• A Powierzchnia bazowa próbki [m2]
• d odległość pomiędzy dwoma stronami próbki [m]
• Temperatura T2 po cieplejszej stronie próbki [K]
• Temperatura T1 po zimniejszej stronie próbki [K]

Mechanizm przewodzenia ciepła

Przewodzenie ciepła w polimerach opiera się na ruchu molekuł oraz przez wiązania wewnątrz- i międzycząsteczkowe. Zmiany strukturalne m.in. sieciowanie w materiałach termoutwardzalnych i elastomerach zwiększa przewodność cieplną, ponieważ wiązania van der Waalsa są stopniowo zastępowane wiązaniami walencyjnymi posiadającymi większą przewodność cieplną.

Alternatywnie, zmniejszenie długości wiązania lub czynników powodujących wzrost struktur nieuporządkowanych lub wolnej objętości (przestrzeni) w polimerach skutkuje zmniejszeniem przewodności cieplnej, a tym samym zwiększeniem izolacji termicznej. Stąd też jest oczywistym, że obecność fazy krystalicznej i wzrost stopnia krystaliczności w polimerach powoduje lepsze upakowanie cząsteczki, a tym samym zwiększoną przewodność cieplną.

Polimery amorficzne wykazują wzrost przewodności cieplnej wraz ze wzrostem temperatury, aż do temperatury zeszklenia T_g. Powyżej temperatury zeszklenia przewodność cieplna spada wraz ze wzrostem temperatury. Ze względu na wzrost gęstości po zestaleniu półkrystalicznych termoplastów przewodność cieplna jest wyższa w stanie stałym niż w stopie. Jednak w stanie stopionym przewodność cieplna polimerów półkrystalicznych zmniejsza się do przewodności cieplnej polimerów amorficznych.

Czynniki wpływające na izolację termiczną

Tworzywa polimerowe są bardzo dobrymi izolatorami. Przewodność cieplna polimerów wzrasta wraz ze wzrostem objętościowej zawartości wypełniacza (lub zawartości włókien; z reguły do ok. 20% udziału objętościowego).

Przyczyną tego stanu rzeczy jest oczywiście wyższa przewodność cieplna wypełniaczy nieorganicznych, która zwiększa przewodność cieplną wypełnionych polimerów.

Pianki polimerowe wykazują wyraźny spadek przewodzenia ciepła na skutek wprowadzenia do struktury wypełniaczy gazowych. Zwiększenie liczby zamkniętych komórek w piance minimalizuje przewodzenie ciepła przez konwekcję dodatkowo poprawiając izolacyjny charakter materiału.

Należy także dodać, że przewodność cieplna stopów wzrasta wraz z ciśnieniem hydrostatycznym, a ściśliwość tworzyw sztucznych dodatkowo wywiera odwrotny wpływ na izolację termiczną, ponieważ zwiększa gęstość upakowania cząsteczek.

Inne czynniki wpływające na przewodność cieplną to gęstość materiału, wilgotność materiału i temperatura otoczenia. Wraz ze wzrostem gęstości, wilgotności i temperatury wzrasta również przewodność cieplna.