Теплопроводность ппу: Почему важно знать коэффициент теплопроводности полиуретана и как это влияет на качество теплоизоляции?

Почему важно знать коэффициент теплопроводности полиуретана и как это влияет на качество теплоизоляции?

Зачем знать коэффициент теплопроводности при выборе утеплителя, как он влияет на качество теплоизоляции и как рассчитать толщину слоя утепления. Читайте в статье.

ППУ для теплоизоляции в сравнении с другими утеплителями

Пенополиуретан (ППУ) — газонаполненная пластмасса, которая получается в результате смешивания полиола и полиизоцианата. После химической реакции вещество увеличивается в объеме от 5 до 25 раз в зависимости от формулы.

В строительстве ППУ применяют для теплоизоляции. Его теплопроводность позволяет защитить от холода кирпичные и деревянные дома, строения из газобетона и камня, блочные и бетонные конструкции. Материал не пропускает влагу и может защищать от воды. Имеет высокую адгезию, легко заполняет щели и пустоты, устойчив к растворам щелочей, кислот, осадкам. При длительной эксплуатации пенополиуретан не плесневеет. Он не восприимчив к грибкам, защищает от насекомых и грызунов. Служит дольше 30 лет.

Пенополиуретан не горит и не выделяет в атмосферу вредные вещества. Компания «Химтраст» предлагает материалы с разным классом горючести: от «Химтраст СКН-60 Г1» (трудногорючий) до «Химтраст СКН-30 Г3» (самозатухающий).

В строительстве для теплоизоляции используют базальтовое волокно, стекловату, полиуретан, пенопласт, пенополистирол. Коэффициент теплопроводности полиуретана один из самых низких среди утеплителей. Чем ниже коэффициент, тем тоньше нужен слой утеплителя. 

---

Средний коэффициент теплопроводности полиуретана — 0,028 Вт/(м·К). У открытоячеистого ППУ, который используют для тепло- и шумоизоляции закрытых помещений — 0,037 Вт/(м·К). У закрытоячеистого для наружных стен — 0,022 Вт/(м·К). Этот показатель говорит о том, насколько сильно материал сопротивляется проникновению холода извне и отдаче тепла наружу. Сравнение теплопроводности ППУ приведено в Приложении 3 СНиП 2-3-79.

---

Базальтовый утеплитель, стекловата и эковата

Базальтовым утеплителем (каменной ватой) часто укрывают здания. Он не горит и способен к самозатуханию. Теплопроводность материала — 0,04 Вт/(м·К), это тоже хороший показатель, но, в отличие от ППУ, слой базальтового утеплителя должен быть в два раза толще, чтобы защитить конструкцию. Такой же коэффициент у стекловаты и эковаты.

Экструдированный пенополистирол

Плитами из экструдированного пенополистирола защищают жилые дома от холодов. Теплопроводность материала — 0,032 Вт/(м·К), этого достаточно для утепления, однако нужно учитывать и другие свойства пенополистирола. Его класс горючести Г4, он легко воспламеняется и выделяет токсины.

Пенопласт

Пенопласт по плотности схож с пенополистиролом, только менее устойчив к механическому воздействию и держит тепло хуже. Коэффициент теплопроводности — 0,038 Вт/(м·К). Значит, его слой при утеплении должен быть на 30 % толще, чем ППУ.

За тепло в помещении отвечает не только теплопроводность ППУ при изоляции, но и другие материалы: кирпичная кладка, облицовочные панели, слой штукатурки, гидроизоляция. Все они имеют плотность и влияют на защиту здания от холода. 

Теплопроводность ППУ в сухом и влажном состоянии

При намокании любой материал впитывает влагу и расширяется. Разбухание приводит к частичной или полной потере теплоизоляционных свойств. Поэтому важно обращать внимание на водопоглощение по объему, которое измеряется в процентах. 

У закрытоячеистого ППУ типа «Химтраст СКН-40 Г2» этот показатель — 2 %, а у базальтовых утеплителей — 35 %. Это значит, что при попадании влаги большая часть теплоизоляционных свойств минеральной ваты, эковаты и стекловаты будет утрачена. С коэффициентом водопоглощения пенополиуретана сравнимы показатели пенополистирола и пенопласта: 1 % и 4 %. Однако при утеплении эти материалы нужно укладывать плитами и не допускать зазоров между ними, иначе тепло будет уходить сквозь щели. ППУ для теплоизоляции наносят на поверхность установками безвоздушного напыления единым слоем без швов и зазоров. Подробнее прочитать о напылении ППУ можно в этой статье.

Как рассчитать толщину слоя ППУ для теплоизоляции

Толщина слоя утеплителя зависит от коэффициента теплопроводности полиуретана. Но также на нее влияют климатическая зона, влажность внутри помещения, температура, влагопоглощение и свойства материала.

Расчет теплоизоляционного слоя регламентируется нормативными документами: СНиП 23-02-2002, СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», ГОСТ Р 54851-2011. 

Один из основных показателей для расчета толщины — суммарное сопротивление теплопередаче конструкций или термическое сопротивление. Оно обозначает необходимую разницу температур снаружи и внутри материала для прохождения энергии. Измеряется в (м²·K)/Вт. Чем выше величина показателя, тем надежнее утеплитель.

Чтобы рассчитать сопротивление, нужно толщину материала в метрах разделить на коэффициент теплопроводности пенополиуретана. 

dппу = (Rтреб — Rконстр) • ʎппу = (Rтреб — dконстр / ʎконстр) • ʎппу,

где dппу — требуемый слой ППУ в метрах,

Rтреб — требуемое сопротивление теплопередаче в (м²·K)/Вт,

Rконстр — сопротивление теплопередаче существующей ограждающей конструкции в (м²·K)/Вт,

ʎппу — коэффициент теплопроводности ППУ в Вт/(м•K),

ʎконстр — коэффициент теплопроводности существующей ограждающей конструкции в Вт/(м•K).

Подробнее о том, как найти оптимальную толщину слоя утеплителя, читайте в статье.

---

Для утепления помещения необходимо учитывать коэффициент теплопроводности материала. В зависимости от его физико-химических свойств определяется способность удерживать тепло. Чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше защищает от холода. Также важно учитывать другие особенности теплоизоляторов: способность отталкивать влагу, горючесть, экологичность и срок эксплуатации.

---

Характеристики и свойства пенополиуретана — теплопроводность, толщина слоя ППУ, срок службы

Благодаря своим отменным техническим характеристикам и длительному сроку службы ППУ считается эталоном среди утеплителей и широко используется для обработки самых разных поверхностей – от стен и кровли домов до трубопроводов и промышленных емкостей. Рассмотрим основные преимущества пенополиуретана.

Теплопроводность и гигроскопичность

Пенополиуретан, по сравнению с такими популярными утеплителями, как минеральная вата и пенопласт, обладает самым низким коэффициентом теплопроводности — 0,025 Вт/м*К. У ближайшего «конкурента» — минеральной ваты — этот коэффициент выше — 0,052 Вт/м*К. При этом ППУ обладает закрытой пористостью, а следовательно, в массу утеплителя не проникает вода, не теряются рабочие свойства материала.

Легкость в нанесении ППУ

Пенополиуретан не нуждается в крепежных элементах за счет того, что ППУ имеет высокую адгезионную прочность, т. е. «прилипает» к любой поверхности, заполняя собой поры, полости и трещины. В таком случае возможность скопления конденсата и образования «мостиков холода» исключена. Фактические тепловые потери ППУ в 1.7 раза ниже нормативных (СниП 2.04.14-88 Энергосбережение, №1,1999 г.).

Утеплители из ППУ могут быть изготовлены разными способами — как напылением, так и с использованием пресс-форм (например, изготовление «скорлупок» для утепления трубопроводов, сэндвич-панелей и т.д.).

Толщина пенополиуретанового покрытия — обычно от 3 до 7 см. За одну смену одна бригада рабочих в состоянии нанести от 200 до 400 кв.м. ППУ. Бригада, работающая с минеральной ватой, уложит максимум 100 кв.м.

Также в пользу ППУ говорит то, что составляющие материала хранятся отдельно друг от друга, а смешиваются они непосредственно перед началом работ. Из 5 кубометров смеси получается 100 кубометров ППУ, а следовательно, снижаются расходы на хранение и транспорт.

Срок службы

Одно из самых главных свойств ППУ — долговечность. Данные лабораторных исследований на ускоренное старение показывают, что время службы пенополиуретана — не менее 30 лет. В том случае, если ППУ напрямую не контактирует с окружающей средой, этот срок увеличивается вдвое, до 60 лет. Например, завод-холодильник в Лондоне, построенный с использованием ППУ в 1968 г., успешно функционирует до сих пор. Жизненная практика показывает, что во всех случаях неудовлетворительного «поведения» пенополиуретана виновато либо низкое качество изделия, либо нарушение условий эксплуатации, например, температура выше 100 градусов по Цельсию, или постоянный контакт с жидкостью или газом под высоким давлением.

Безопасность

В отношении безопасности использования ППУ также «на высоте» — пенополиуретан в процессе эксплуатации не выделяет токсичных веществ, а также практически не горюч.

таблица сравнения с другими материалами и расчет толщины слоя утеплителя в зависимости от теплопроводности

В технической литературе пенополиуретан описывается как материал с самой низкой теплопроводностью в списке стандартных термоизоляционных материалов. Пенополистирол и жесткий пенополиуретан с низкой плотностью (от 20 до 50 кг/м

3) по праву стали самыми используемыми материалами для промышленных холодильных и морозильных камер и других систем, где требуется повышенная термоизоляция. В этом заслуга низкой теплопередачи. Для сравнения теплопроводность жесткого пенополиуретана в разы ниже теплопроводности  минеральной ваты и всех других популярных утеплителей.

Коэффициент теплопроводности жесткого пенополиуретана и других материалов

Именно низкая теплопроводность делает ППУ оптимальным материалом для термоизоляции. Коэффициент теплопроводности жесткого  пенополиуретана составляет 0,019 – 0,028 Вт/м*К. Этот показатель определяет количество теплоты, которая проходит сквозь куб материала со стороной в 1 м за 1 секунду при единичном изменении температуры в 1 Кельвин. Низкая теплопроводность позволяет обеспечить необходимую теплоизоляцию при минимальном слое покрытия. Например, теплопроводность пенопласта составляет 0,04 – 0,06 Вт/м*К, т.е. понадобится в 2-3 раза более толстый слой пенопласта, чем пенополиуретана. В видео ниже поясняется понятие теплопроводности и его применение в строительстве:

 

 

Совет от профессионала

Если вы хотите сравнить теплопроводность различных строительных материалов, необходимо поделить их коэффициенты теплопроводности. К примеру, теплопроводность минваты и ППУ соотносятся как 0,052/0,019=2,74. Это означает, что слой пенополиуретана в 10 см равен 27,4 см слою минеральной ваты по своим утепляющим свойствам. Если брать теплопроводность керамзита и ППУ, то соотношение будет 0,18/0,019=9,47. То есть слой керамзита должен быть почти в 10 раз толще.

Ниже приведена теплопроводность строительных материалов в таблице

Материал	Коэффициент теплопроводности (Вт/м*К)
Жесткий пенополиуретан	0.019 – 0.028
Пенополистирол (пенопласт)	0.04 – 0.06
Минеральная вата	0.052 – 0.058
Пенобетон	0.145 – 0.160
Пробковая плита	0.5 – 0.6

*Цифры могут изменяться в зависимости от производителя, погодных условий, точного состава.

Как рассчитать необходимую толщину слоя ППУ-утеплителя?

Для расчета необходимого количества материалов для утепления дома или другой постройки необходимо обратиться к нормативам СНиП 23-02-2003 и рассчитать следующие параметры:

Rreq = a*Dd + b

Dd = (Tint – Tht)*Zht

Δ=Rreq*λ

Rreq – сопротивление теплопередачи

a и b – коэффициенты из таблиц СНиП

Dd – градусо-сутки отопительного сезона

Tint – внутренняя температура помещения, которую необходимо поддерживать

Tht – средняя температура воздуха снаружи помещения

Zht – длительность периода отопления

Δ – искомая толщина слоя ППУ-утеплителя

Λ — теплопроводность

Сопротивление теплопередачи рассчитывается для цельной конструкции, поэтому для расчета сопротивления теплопередачи ППУ необходимо вычесть из общего показателя сопротивления теплопередачи других составных материалов покрытия (например, для стены нужно также учитывать теплопроводность штукатурки и кирпича).

Для примера, возьмем минимальную теплопроводность ППУ, равную 0,019. Используя данные из СНиП для стандартных стен жилого дома – Rreq=3,279 рассчитаем толщину теплоизоляционного покрытия из ППУ – Δ = 3,279*0,019= 0,0623 м (т.е. 6,23 см). Если вам посчастливится приобрести самый термостойкий пенополиуретан с таким низким коэффициентом теплопроводности, достаточная толщина термоизоляционного слоя всего 6 см.

В сравнении с другими утеплителями наиболее тонкий слой утепления дает именно пенополиуретан, теплопроводность которого ниже, чем у любого другого материала. Поэтому нередко утепление ППУ обходится дешевле, чем использование менее совершенных вариантов теплоизоляции.

Теплопроводность пенополиуретана и полимочевины. / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

 

Материал	Плотность, кг/м3	Тепло-проводность, Вт/(м*С)	Паропрони-цаемость, Мг/(м*ч*Па)	Эквивалентная1 (сопротивление теплопередаче = 4,2м2*С/Вт)   толщина, м	Эквивалентная2 (сопротивление паропроницанию =1,6м2*ч*Па/мг) толщина, м
Железобетон	2500	1.69	0.03	7.10	0.048
Бетон	2400	1.51	0.03	6.34	0.048
Керамзитобетон	1800	0.66	0.09	2.77	0.144
Керамзитобетон	500	0.14	0.30	0.59	0.48
Кирпич красный глиняный	1800	0.56	0.11	2.35	0.176
Кирпич, силикатный	1800	0.70	0.11	2.94	0.176
Кирпич керамический пустотелый (брутто1400)	1600	0.41	0.14	1.72	0.224
Кирпич керамический пустотелый (брутто1000)	1200	0.35	0.17	1.47	0.272
Пенобетон	1000	0.29	0.11	1.22	0.176
Пенобетон	300	0.08	0.26	0.34	0.416
Гранит	2800	3.49	0.008	14.6	0.013
Мрамор	2800	2.91	0.008	12.2	0.013
Сосна, ель поперек волокон	500	0.09	0.06	0.38	0.096
Дуб поперек волокон	700	0.10	0.05	0.42	0.08
Сосна, ель вдоль волокон	500	0.18	0.32	0.75	0.512
Дуб вдоль волокон	700	0.23	0.30	0.96	0.48
Фанера клееная	600	0.12	0.02	0.50	0.032
ДСП, ОСП	1000	0.15	0.12	0.63	0.192
ПАКЛЯ	150	0.05	0.49	0.21	0.784
Гипсокартон	800	0.15	0.075	0.63	0.12
Картон облицовочный	1000	0.18	0.06	0.75	0.096
Минвата	200	0.070	0.49	0.30	0.784
Минвата	100	0.056	0.56	0.23	0.896
Минвата	50	0.048	0.60	0.20	0.96
Пенополистирол экструдированный	33	0.031	0.013	0.13	0.021
Пенополистирол	150	0.05	0.05	0.21	0.08
Пенополистирол	100	0.041	0.05	0.17	0.08
Пенополистирол	40	0.038	0.05	0.16	0.08
Пенопласт ПВХ	125	0.052	0.23	0.22	0.368
ПЕНОПОЛИУРЕТАН	80	0.041	0.05	0.17	0.08
ПЕНОПОЛИУРЕТАН	60	0.035	0.05	0.15	0.08
ПЕНОПОЛИУРЕТАН	40	0.029	0.05	0.12	0.08
ПЕНОПОЛИУРЕТАН	32	0.023	0.05	0.09	0.08
Керамзит	800	0.18	0.21	0.75	0.336
Керамзит	200	0.10	0.26	0.42	0.416
Песок	1600	0.35	0.17	1.47	0.272
Пеностекло	400	0.11	0.02	0.46	0.032
Пеностекло	200	0.07	0.03	0.30	0.048
АЦП	1800	0.35	0.03	1.47	0.048
Битум	1400	0.27	0.008	1.13	0.013
ПОЛИУРЕТАНОВАЯ МАСТИКА	1400	0.25	0.00023	1.05	0.00036
ПОЛИМОЧЕВИНА	1100	0.21	0.00023	0.88	0.00054
Рубероид, пергамин	600	0.17	0.001	0.71	0.0016
Полиэтилен	1500	0.30	0.00002	1.26	0.000032
Асфальтобетон	2100	1.05	0.008	4.41	0.0128
Линолеум	1600	0.33	0.002	1.38	0.0032
Сталь	7850	58	0	243	0
Алюминий	2600	221	0	928	0
Медь	8500	407	0	1709	0
Стекло	2500	0.76	0	3.19	0

1 — сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций жилых зданий в Московском регионе, строительство которых начинается с 1 января 2000 года.

2 — сопротивление паропроницанию внутреннего слоя стены двухслойной стены помещения с сухим или нормальным режимом, свыше которого не требуется определять сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции.

Трубы ППУ компании СТС Изоляция для тепловых сетей. Теплоизолированные трубы для систем теплоснабжения

Наша продукция Как заказать трубы ППУ Размещая заявку на поставку тепловой трубы ППУ в нашей компании каждому Заказчику гарантируется индивидуальный подход, оперативность, точность и четкость исполнения контрактных обязательств. Поскольку этапы строительства трубопроводов жестко взаимосвязаны с текущей комплектацией, наш клиент должен получить свой заказ с гарантией по качеству, очередности, количеству и точно в срок. Отправить спецификацию заказа Наименования номенклатуры изделий, маркировка и иные условные обозначения у разных проектных организаций и производителей могут отличаться, что может потребовать дополнительных уточнений и согласований содержания спецификации заказа между потребителем и офисом продаж. Предлагаем краткие требования к условным обозначениям номенклатуры изделий, используемым на нашем предприятии. Наши преимущества Мы исповедуем индивидуальный подход в работе с каждым клиентом, стараясь максимально удовлетворить требования по его заявке на поставку продукции нашего предприятия. Калькулятор Специализация компании СТС Изоляция Наша продукция: Производим энергоэффективные стальные трубы в ППУ изоляции по технологии вспенивая полиуретана в сборной трехуровневой конструкции «сталь + жесткий пенополиуретан + полиэтилен/оцинкованная сталь» по ГОСТ 30732-2020. На поточных заводских линиях осуществляем нанесение теплоизоляции на прямые участки трубопроводов, фасонные изделия, шаровые краны и компенсаторы. Осуществляем комплексное снабжение расходными материалами для монтажа стыковых соединений и приборами электронной системы контроля протечек ОДК. Наши потребители: Заказчиками нашей продукции являются строительные, монтажные и сервисные компании коммунальной энергетики, ЖКХ, нефтехимии, а также предприятия нефтегазового сектора и промышленности. Параметры применения пенополиуретановой теплоизоляции: Инженерные сети с рабочим давлением до 1,6 МПа и температурой транспортируемого вещества до 140С Цельсия. Сфера применения нашей продукции: инженерные сети тепло- и водоснабжения (ГВС и ХВС) тепловых сетей, нефтегазопроводы, маслопроводы и нефтепродуктопроводы, системы транспортировки охлажденных веществ и криогенопроводы, транспортирующие сети иного промышленного назначения. Наши услуги: работа по схеме обработки давальческого сырья, комплектация вспомогательными материалами, профессиональные консультации, доставка продукции на объект Заказчика. География поставок Продукция предприятия имеет обширную географию поставок и за более чем десятилетнюю историю работы нами была произведена отгрузка широкой номенклатуры изделий на более, чем тысячу предприятий в десятки городов и населенных пунктов РФ. В числе приобретавших трубы в ППУ изоляции нашего производства множество предприятий из таких городов, как Москва (а также Московской области), Ярославль, Рязань, Калуга, Владимир, Тверь, Тула, Вологда, Кострома, Нижний Новгород, Волгоград и потребителей из Казахстана. Специальное предложение Новости

Телефон: +7 (495) 979-54-48, тел./факс: +7 (495) 660-11-08 Работа склада: 8:00 — 17:00 (пн — пт) Работа офиса: 9:00 — 18:00 (пн — пт)

Сравнение теплоизоляции из пенополиуретана с другими утеплителями

Самыми популярными теплоизоляционными материалами на российском строительном рынке являются минеральная вата, пенополистирол (ППС) и пенополиуретан (ППУ). На самом деле утеплителей гораздо больше, но на долю вышеперечисленных материалов приходится более 95% рынка. Каждый из этих материалов по-своему хорош, и поэтому для более осмысленного выбора необходимо знать их основные характеристики. С этой целью проведем сравнение теплоизоляции по четырем основным эксплуатационным характеристикам: теплопроводности, влагопроницаемости, сроку эксплуатации и экологичности.

На фото показаны самые распространенные виды теплоизоляционных материалов. Их основными характеристиками является коэффициент теплопроводности, влагопоглощение, срок эксплуатации и безопасность.

Теплопроводность пенополиуретана в сравнении с другими утеплителями Теплопроводность — основной показатель, оценивающий, сколько тепла материал проводит за единицу времени при изменении температуры на его поверхности на 1°С. Теплопроводность пенополиуретана — 0,02 Вт/м·С. По этому показателю ППУ значительно опережает своих конкурентов. Для сравнения теплопроводность ППС и минваты составляет соответственно 0,035 и 0,045 Вт/м·С.

Таким образом, слою ППУ в 50 мм соответствуют:

• ППС – 80 мм;
• минеральная вата – 120 мм.

Принципиальное отличие ППУ от других плитных и рулонных материалов заключается в том, что в утепленных им поверхностях со временем не образуются мостики холода, чего, к сожалению, не скажешь о других материалах, которые со временем стареют и меняют свои эксплуатационные характеристики.

На картинке показан график эквивалентной теплопроводности различных теплоизоляционных материалов. Слою утеплителя толщиной 80 мм из полиуретана по теплопроводности соответствует кирпичная стена толщиной 1,5 метра.

Влагопроницаемость теплоизоляции

Сравнение теплоизоляционных материалов по этому показателю в большей степени указывает на их эффективность. Даже если материал имеет прекрасный показатель по теплопроводности, но с течением времени накапливает влагу, он малоэффективен. Меньше всего поглощает влагу ППУ и ППС. А что касается минваты, то ее способность поглощать воду в 12-15 раз выше. Именно по этой причине минеральную вату защищают паро- и влагозащитными пленками.

Срок эксплуатации

Этот критерий оценивает время эксплуатации теплоизоляционного материала, в течение которого он не меняет свои эксплуатационные характеристики. По этому показателю пенополиуретану нет равных. Заявленный срок службы у этого материала равен 50 годам. При этом он не теряет свои качества при экстремально низких и при экстремально высоких температурах. Кроме этого с течением времени он не дает усадку в отличие от той же минваты. Гарантированный срок эксплуатации ППС – 12-15 лет, минеральной ваты – 3-8 лет.

Пенополиуретан выпускают толщиной от 20 до 100 мм. В отличие от других теплоизоляционных материалов срок службы пенополиуретана составляет более 50 лет.

Экологичность Для гражданского строительства экологичность — очень важный показатель. По санитарным нормам и правилам теплоизоляционные материалы, применяемые в строительстве, должны быть абсолютно безвредны. Тем не менее, практически все материалы излучают какое-то количество химических веществ, но оно настолько мизерное, что не оказывает вредного воздействия на здоровье человека. Пенополистирол и пенополиуретан в сравнении с минеральной ватой выигрывают, так как абсолютно безопасны. В состав минваты входят фенолы и формальдегиды, поэтому ее следует надежно изолировать. Для минимизации вредного влияния утеплителей на здоровье человека их лучше монтировать с наружной стороны здания. Стоит отметить еще одну особенность: если ППУ абсолютно не интересует грызунов, то пенопласт и минеральная вата для них — излюбленная среда обитания.

Таблица теплоизоляционных материалов

Для большей наглядности сведем теплоизоляционные свойства материалов в таблицу:

Утеплитель	Плотность, кг/м³	Коэффициент  теплопроводности, Вт/м С	Толщина, мм	Срок эксплуатации, лет
Пенополиуретан	35-160	0,02-0,025	50	> 50
Пенополистирол	15-45	0,035	80	15
Минеральная вата	15-150	0,04-0,045	120	3-8

 

 

 

 

 

 

 

Проанализировав технические характеристики наиболее популярных утеплителей, и проведя сравнение пенополиуретана с другими утеплителями, становится понятно, что ППУ лучше по многим основным показателям. Благодаря своей универсальности, а утеплять им можно все конструктивные элементы зданий, трубопроводы и запорную арматуру, его доля на рынке с каждым годом увеличивается, и он по праву заслуживает репутацию одного из самых доступных и эффективных материалов.

Характеристики ППУ — Группа компаний «Скиф»

Сегодня, когда все пытаются уменьшить потерю тепла при его подаче потребителю, постоянно требуется теплоизоляторы для трубных магистралей. Самыми популярными и универсальными на сегодняшний день, считаются скорлупы ппу.

ППУ — Пенополиуретан, является одним из самых эффективных материалов используемых в современном строительстве для теплоизоляции трубопроводов отопления, нефти и газа, стен, полов, перекрытий, ограждающих конструкций, покрытий энергетического оборудования, кумулятивных емкостей, холодильных камер и других строительных конструкций.

Теплоизоляционные скорлупы из пенополиуретана обеспечивают:

• Низкую трудоемкость;
• Сокращение времени монтажа теплоизоляции;
• Возможность многоразового использования;
• Быстрый доступ к поврежденным участкам труб;
• Значительное увеличение срока службы теплоизоляционного покрытия;
• Применим при температурах от-100°С до +130°С.
• Высокую производительность: 2 человека изолируют до 150 метров трубопровода за смену.

Пенополиуретан

Физико-механические и теплотехнические свойства ППУ: Пенополиуретан среди теплоизолирующих материалов обладает наиболее низким коэффициентом теплопроводности О,019-0,022 Вт/мК , высокими гидроизолирующими свойствами (до 95% закрытых пор), широким диапазоном плотности (от 40 до 200кг/м куб.), что позволяет использовать его в качестве теплоизоляции пола. ППУ химически нейтрален к кислотным и щелочным средам, может работать в грунте и служить антикоррозийной защитой металла. Должен быть защищен от прямых солнечных лучей бумагой, краской или фольгой. Класс горючести — самозатухающий.

• Плотность — 55 кг/м куб.
• Коэффициент теплопроводности — 0,019Вт/мК
• Водопоглощение за 24 ч. — 0,1-0,2 кг/м куб.
• Содержание закрытых пор — 95%
• Пожаростойкость — ГЗ, самозатухающий
• Долговечность — не менее 30 лет.

Сравнительные Технические характеристики скорлуп ппу с другими теплоизоляцторами:

Теплоизолятор	Степерь плотности (кг/м.куб)	Коэф. теплопроводности (Вт/м*К)	Пористость	Срок эксплуатации (лет)	Диапазон рабочих температур
скорлупа ппу	40-200	0,019	Закрытая	15-30	-110…+130
Минеральная вата	55-150	0,052-0,058	Открытая	5	-40…+120
Пробковая плита	220-240	0,050-0,060	Закрытая	3	-30…+90
Пенобетон	250-400	0,145-0,160	Открытая	10	-30…+120
Пенопласт	30-60	0,040-0,050	Закрытая	5-7	-50…+110

Сравнительный анализ технико-экономической эффективности при использовании пенополиуретана и традиционной минеральной ваты:

Показатели	Пенополиуретан	Минеральная вата
Коэффициент теплопроводности	0,019-0,022	0,050-0,070
Толщина покрытия	40-140 мм	120-220 мм
Эффективный срок службы	15-30лет	5 лет
Производство работ	Круглогодично	Теплое время года, сухая погода
Влага, агрессивные среды	Устойчив	Теплоизоляционные свойства теряются, восстановлению не подлежит
Экологическая чистота	Безопасен! Разрешено применение в жилых зданиях	Аллерген
Фактические тепловые потери	В 1,7 раза ниже нормативных	Превышение нормативных после 12 месяцев эксплуатации

Приведем некоторые факты:

1. Скорлупы ппу имеют низкую теплопроводность, поэтому коэффициент теплопроводности составляет — 0,022 Вт/мК. Намного лучше, чем аналогические изделия из других материалов. При проведении исследований, доказано, что использование в качестве теплоизолятора скорлупы ппу есть выгодным и окупаемым решением.

2. Срок эксплуатации. Скорлупы ппу выдерживают около 1 тыс. циклов разморозки/заморозки. если скорлупа ппу используется  без защитного слоя покрытия, то свои технические характеристики она не теряет примерно 10-15 лет. если она эксплуатируется в условиях закрытого помещения или имеет поверхностный панцирь для защиты, то в этом случае срок ее службы увеличивается до 25-30 лет.

3. Защита от влаги. Так как пенополиуретан имеет закрытую структуру пор, с помощью которой сохраняется тепло, в то же время эта особенность не позволяет влаге просочиться влаге. И если скорлупа ппу установлена без технических нарушений, она надолго защитит трубу от воздействия влаги.

4. Воздействие биологической активности. Скорлупы ппу не подвергаются атакам вредоносной плесени и разных грибков. также, ппу нестрашны грызуны.

5.  Температурный режим. скорлупа ппу имеет особенность сохранять свои технические характеристики при перепадах температуры от минимальной -180 до максимальной +200. Поэтому ее можно использовать в разных сферах промышленного хозяйства.

6. Безопасность для экологии. Подтверждено эксперементами, что скорлупа ппу не имеет никокого влияния на здоровье человека и является безопасной.

Полипропилен — источник в онлайн-каталоге — поставщик исследовательских материалов в небольших количествах

Общее описание : Полукристаллический, белый, полупрозрачный товарный термопласт, выпускаемый в самых разных сортах и ​​модификациях. Это линейный полиолефин, который во многих отношениях можно сравнить с полиэтиленом высокой плотности (HDPE), и который производится очень похожим способом. Используемые катализаторы достаточно хорошо контролируют стереорегулярность полимера, так что коммерческие полипропилены (ПП) обычно преимущественно изотактические.Гомополимер ПП тверже и имеет более высокую термостойкость, чем ПЭВП, но более низкую ударопрочность и становится хрупким при температуре ниже ~ 0 ° C. Следовательно, сорта сополимера предпочтительны для всех областей применения, подверженных воздействию холода / зимы. Эти сополимеры имеют лучшую ударную вязкость, сохраняемую при более низких температурах, чем гомополимеры, за счет довольно небольшого снижения других свойств. Как и полиэтилены, полипропилен обладает хорошей химической стойкостью, но плохой стойкостью к ультрафиолетовому излучению (если он не стабилизирован или не защищен). Из-за проблем с термической стабильностью таких материалов, как полипропилен, во время обработки неизменно используются такие добавки, как антиоксиданты.Следует также отметить, что при рассмотрении использования термосвариваемых пленок этот продукт фактически представляет собой соэкструдированную пленку, содержащую внутренний слой из полипропилена и внешние слои из сополимера полипропилена и полиэтилена. Эти пленки также обрабатываются коронным разрядом для улучшения адгезии и могут также содержать антиадгезионную добавку, такую ​​как диоксид кремния. Если у вас есть какие-либо сомнения относительно пригодности любого из этих материалов, пожалуйста, запросите подтверждение перед размещением заказа на покупку. Применения включают (для гомополимеров) кожухи для бытовых приборов, предметы домашнего обихода, упаковку, держатели кассет и волокна, моноволокна и ленты с щелевой пленкой; для сополимерных труб, контейнеров, корпусов лодок, корпусов сидений и автомобильных деталей e.грамм. Корпуса батарей и бамперы, хотя последние часто изготавливаются из полипропиленов, в большей степени модифицированных эластомерами.

(PDF) Теплопроводность материалов на основе полипропилена



Теплопроводность материалов на основе полипропилена

DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.84477

[49] Weidenfeller B, Höfer M, Schilling

F. Тепловые и электрические свойства

полимеров, наполненных магнетитом.

Композиты Часть A: Прикладная наука

и производство. 2002;: 1041-1053.

DOI: 10.1016 / S1359-835X (02) 00085-4

[50] Weidenfeller B, Höfer M, Schilling

F. Теплопроводность, теплопроводность

и удельная теплоемкость

полипропилена, наполненного частицами .

Композиты Часть A: Прикладная наука и

Производство. 2004; : 423-429. DOI:

10.1016 / j.compositesa.2003.11.005

[51] Andrews R, Weisenberger MC.

Полимерные композиты на основе углеродных нанотрубок.

Current Opinion in Solid State and

Materials Science. 2004; : 31-37. DOI:

10.1016 / j.cossms.2003.10.006

[52] Поллак Г.Л.Капица. Сопротивление.

Обзор современной физики. 1969;:

48-81. DOI: 10.1103 / RevModPhys.41.48

[53] Swartz ET, Pohl RO.Thermal

граничное сопротивление. Обзор современной физики

.1989;: 605-668. DOI: 10.1103 /

RevModPhys.61.605

[54] Vidal-Sallé E, Marchand

A-S.Моделирование фрикционной термомеханической муфты

на стыке

заготовка-инструмент во время процессов объемного формования

. Серия трибологии.

2003;: 349-356. DOI: 10.1016 /

S0167-8922 (03) 80062-7

[55] Hussain F, Hojjati M, Okamoto M,

Goiga RE. Обзорная статья: Полимер-

матричные нанокомпозиты, обработка,

производство , и заявка:

Обзор.Журнал Composite

Материалы. 2006;: 1511-1575. DOI:

10.1177 / 0021998306067321

[56] Patti A, Russo P, Acierno D, Acierno

S. Влияние функционализации наполнителя

на дисперсию и теплопроводность

полипропиленовых / многостенных углеродных нанотрубок

9 композиты. Композиты Деталь

B Engineering. 2016; : 350-359. DOI:

10.1016 / j.compositesb.2016.03.072

[57] HeonKang CH, Yoon KH, Park

Y-B, Lee DY, Jeong SS.Свойства

полипропиленовых композитов, содержащих

алюминиевых / многослойных углеродных

нанотрубок. Композиты Часть A:

Прикладная наука и производство.

2010;: 919-926. DOI: 10.1016 / j.

compositesa.2010.03.011

[58] Муратов Д.С., Кузнецов Д.В., Ильиных

И.А., Бурмистров И.Н., Мазов И.Н. .Композиты

и технологии. 2015; : 40-43. DOI:

10.1016 / j.compscitech.2015.03.003

[59] Ezat GS, Kelly AL, Mitchell SC,

Youseffi M, Coates PD. Влияние привитого малеиновым ангидридом

Полипропилен

морфологически совместимый

и свойства многослойной углеродной нанотрубки полипропилен /

.

Композиты. 2012; : 1376-1386. DOI:

10.1002 / pc.22264

[60] Chen L, Xu H-F, He S-J, Yi-Hang

D, Yu N-J, Du X-Z, etal.Термическая проводимость

Полипропиленовые композиты, наполненные

гексагональным нитридом бора

, функционализированным полидофамином. PLoS One.

2017; : e0170523. DOI: 10.1371 / journal.

pone.0170523

[61] Szentes A, Varga CS, Horváth G,

Bartha L, Kónya Z, Haspel H, etal.

Удельное электрическое сопротивление и термические свойства

свойства компатибилизированных композитов из многослойных углеродных нанотрубок / полипропилена

со стенками

.eXPRESS Polymer

Букв. 2012; : 494-502. DOI: 10.3144 /

expresspolymlett.2012.52

[62] Диес-Паскуаль AM, Naffakh M,

González-Domínguez JM, Ansón

AM, Martínez-Rubi Y, Martínez

et al. Высокопроизводительные композиты на основе нанотрубок PEEK / углерод

, совместимые

с полисульфонами-II. Механические

и электрические свойства. Углерод.

2010;: 3500-3511. DOI: 10.1016 / j.

карбон.2010.05.050

Полимеры | Бесплатный полнотекстовый | Теплопроводность и электрическое сопротивление смешанных расплавом полипропиленовых композитов, содержащих смеси наполнителей на основе углерода

1. Введение

Для получения материалов с высокой теплопроводностью интересной альтернативой металлам являются композиты на основе термопластов и теплопроводных наполнителей. Таким образом, низкая цена, низкая плотность и хорошая технологичность путем экструзии из расплава и литья под давлением являются преимуществами термопластичных полимеров.Такие композитные материалы могут быть использованы, например, в теплообменниках или геотермальных системах [1,2]. Эти наполнители должны образовывать в матрице теплопроводную сеть, чтобы передать свою высокую проводимость композиту. Наряду с высокой теплопроводностью, некоторые приложения требуют одновременно и высокой электропроводности, например, биполярные пластины в топливных элементах [3,4,5]. Электропроводность требует сетей с соседними проводящими частицами, которые могут быть разделены тонкими полимерными пленками с расстояниями ниже расстояния перескока электронов и / или расстояния туннелирования (предполагается, что оно составляет около 2-8 нм) [6].Только образование электрической сети при пороговой концентрации перколяции изменяет электрические свойства с изолирующих на электропроводящие [7,8]. Напротив, теплопроводность требует переноса фононов между соседними теплопроводными наполнителями. Таким образом, тенденции развития электрических свойств и теплопроводности с содержанием наполнителя для полимерных композитов очень разные [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Появляются материалы на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки с высокой теплопроводностью (CNT) [12,22], графит (G) [17], углеродные волокна (CF), углеродная сажа (CB) или графитовые нанопластинки (GNP) [23]. быть лучшими наполнителями для сочетания высокой тепловой, а также электрической проводимости с легким весом.В текущих исследованиях тенденция улучшения теплопроводности полимеров сосредоточена на использовании нанонаполнителей с высокой теплопроводностью [22]. Однако огромная граница раздела в нанокомпозитах вместе с большим термическим сопротивлением между поверхностями наполнителя и окружающей полимерной матрицей препятствует перенос фононов по этим интерфейсам. Таким образом, несмотря на исключительно высокую собственную теплопроводность УНТ [1,10,24,25,26,27,28,29,30,31], относительно низкая теплопроводность нанокомпозитов полимер / УНТ наблюдалась экспериментально.Одним из возможных способов стимулирования образования теплопроводящих путей является комбинация различных типов наполнителей с разными размерами и / или формами [1,27,32,33,34,35]. В таких композитах ожидаются синергетические эффекты, что означает, что эффект, вызванный использованием гибридной системы наполнителей, больше, чем общий эффект отдельных наполнителей. При использовании анизотропных наполнителей следует ожидать зависящей от направления измерения теплопроводности из-за процессов ориентации и выравнивания наполнителей при формовании образцов для испытаний.В большинстве случаев теплопроводность вдоль волокон или пластинчатых наполнителей больше, чем перпендикулярно этому направлению. Поскольку при обработке обычно образуются структуры с ориентацией в направлении обработки (параллельно поверхности), в пластинчатых образцах проводимость обычно выше в плоскости (вдоль), чем через образец. При сравнении значений теплопроводности следует также учитывать, что разные принципы измерения могут давать разные абсолютные значения.Поэтому имеет смысл только сравнение со стоимостью основного материала. При использовании 7,5 об.% Многослойных УНТ (MWCNT) в полибутилентерефталате (PBT) Pflug et al. [27] измерили на образцах, полученных литьем под давлением, теплопроводность 0,43 Вт / (м · К) перпендикулярно ⊥ и 0,59 Вт / (м · К) параллельно ║ направлению впрыска. По сравнению с незаполненным PBT, это составляет увеличение до 170% и 236% соответственно. Авторы обнаружили синергетические эффекты для комбинации MWCNT с порошком железа в таких композитах PBT.В то время как композиты с одним наполнителем достигли теплопроводности 0,3 Вт / (м · К) ⊥ или 0,5 Вт / (м · К) ║ (ПБТ / 4 об.% MWCNT) и 0,38 Вт / (м · К) или 0,43 Вт / (м · К) ║ (ПБТ / 10 об.% Железа) для трехкомпонентной системы (ПБТ / 5 об.% MWCNT + 10 об.% Железа), теплопроводность 0,55 Вт / (м · К) ⊥ и 0,94 Вт / (м · К). Кроме того, они сообщили также о синергизме для композитов из полиэтилена высокой плотности (PE-HD) с 5 об.% MWCNT и 60 об.% Оксида алюминия. Мазов и др. [33] сообщили о синергетических эффектах теплопроводности смешанных в расплаве полипропиленовых (ПП) композитов, наполненных УНТ и CF, которые были сформированы литьем под давлением.Добавление 4 мас.% УНТ к ПП (0,23 Вт / (м · К), ⊥) привело к значению 0,34 Вт / (м · К) ║, и включению 40 мас.% CF до 1,23 Вт / (м · К) ║ и 0,55 Вт / (м · К). Композит ПП, содержащий смесь 4 мас.% УНТ и 36 мас.% CF, дал значения 1,9 Вт / (м · К) и 0,9 Вт / (м · К). Этот эффект был вызван продольным выравниванием CF и их сшивкой УНТ. В композиционных материалах на основе полиэтилена, смешанных в расплаве, Müller et al. [1] не обнаружили увеличения теплопроводности (⊥) для смесей MWCNT (Nanocyl ^TM NC7000) и расширенного графита (EG) (0.63 Вт / (м · К) при ПЭ / 5 мас.% MWCNT + 5 мас.% ЭГ) по сравнению с использованием ЭГ в качестве единственного наполнителя (0,74 Вт / (м · К) при 10 мас.% ЭГ). Интересно отметить, что добавление 10 мас.% Микрокремнезема с низкой теплопроводностью в композит с 5 мас.% CF привело к увеличению теплопроводности с 0,61 Вт / (м · К) до 0,71 Вт / (м · К) [1] . Этот эффект был объяснен тем, что микрокремнезем с низкой проводимостью способствует образованию проводящей сетки CF. Смешанные наполнители из MWCNT и нитрида бора (BN) или MWCNT и синтетического алмаза (SD) при постоянном общем содержании наполнителя в ПП 4 об.% Были исследованы Нурулом и др.[36]. Было обнаружено, что теплопроводность (⊥) увеличивается с 0,22 Вт / (м · К) (чистый ПП) с увеличением содержания МУНТ и одновременным уменьшением содержания BN или SD до 0,35 Вт / (м · К) при ПП / 4 об. % MWCNT, тогда как теплопроводность PP / 4 об.% SD и PP / 4 об.% BN составила 0,33 Вт / (м · К) и 0,27 Вт / (м · К), соответственно. Значения для композитов из полипропилена со смешанными системами наполнителей лежат между этими двумя значениями для композитов с одиночными наполнителями. Таким образом, синергия не наблюдается. Что касается порога электрической перколяции для смешанных углеродных наполнителей, Sun et al.[37] разработали уравнение для теоретического порога перколяции смешанных наполнителей на основе перколяции отдельных наполнителей, адаптировав подход исключенного объема. Если экспериментальный порог окажется ниже расчетного, можно предположить, что система показывает синергетический эффект. Такие синергетические эффекты были успешно продемонстрированы для электропроводности эпоксидной смолы [38,39] и термопластичных полимеров [40,41,42,43,44], наполненных углеродными нанотрубками и углеродной сажей.Наджи и др. [19] описал для композитов поликарбоната (ПК), что УНТ могут действовать как мост между более крупными наполнителями, такими как углеродные волокна и графит, и заполнять зазоры, образуя более эффективную проводящую сеть. Существует всего несколько работ, которые рассматривают вместе электрическую и теплопроводность полимерных нанокомпозитов [11,13,17,19,21]. Для образования перколированной сетки необходимо соотношение сторон, то есть отношение длины наполнителя к диаметру. — имеет особое значение. Если соотношение сторон высокое, e.грамм. для углеродных нанотрубок перколированная сетка может быть сформирована при относительно низком содержании наполнителя. С уменьшением соотношения сторон, например для углеродной сажи, графита или нанопластинок графита необходимо большее количество наполнителя для достижения электрической перколяции [7,8]. Чтобы сравнить различные виды технического углерода, необходимо учитывать структуру его агрегатов и размер частиц. Высокоструктурированная сажа содержит большое количество частиц на агрегат. При данной нагрузке ожидается, что более структурированный CB приведет к более высокой электропроводности композита, чем низкоструктурированный CB [45].Однако на формирование проводящей сетки также влияет диспергируемость CB, которая лучше для высокоструктурированной сажи. Для характеристики структуры CB обычно используется число адсорбции масла (OAN), а более высокие значения характерны для высокоструктурированной сажи. приготовленные с использованием мелкомасштабного смешивания в расплаве. Это исследование было сосредоточено на полипропилене, так как это широко используемый материал для биполярных пластин [2,5,17,21], где важную роль играют как электрическая, так и теплопроводность.Чтобы увидеть общие эффекты и обеспечить желаемую хорошую перерабатываемость в расплаве, содержание наполнителя было ограничено до 7,5 об.%. Использовались графитовые нанопластинки (GNP), углеродные волокна (CF), многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT), технический углерод (CB) и графит (G), а также смеси этих наполнителей. Количества и соотношения смешивания гибридных систем наполнителей варьировали, чтобы определить влияние на достижимый уровень теплопроводности и электропроводности. В частности, были исследованы смеси наполнителей с различными формами, размерами частиц и соотношением сторон, чтобы получить знания о влиянии смешанных сеток наполнителей.Цель состоит в том, чтобы получить композит, обладающий одновременно высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью при выбранной нагрузке.

2. Материалы и методы

Полипропилен (ПП) Moplen HP400R (LyondellBasell Industries, Роттердам, Нидерланды) применяли в качестве матрицы, имеющей скорость течения расплава 25 г / 10 мин при 230 ° C и 2,16 кг и гранулированную форму. .

В качестве наполнителя использовали:

В качестве углеродных волокон (CF): SIGRAFIL ^® C25 M250 UNS Milled Carbon Fiber (SGL Carbon Group, Висбаден, Германия) с содержанием углерода> 95% масс. , средняя длина волокна 0.135 мм, диаметр волокна 7,5 мкм, плотность 1,8 г / см ³ и насыпная плотность 0,23 г / см ³ .

В качестве графитовых нанопластинок (GNP): xGNP-M-5 (Graphene Nanoplate from XG Sciences, Inc., Lansing, MI, USA) использовали с толщиной слоя 6-8 нм, размером частиц 5 мкм, площадью поверхности 120–150 м ² / г, содержание углерода> 99,5%, плотность 2,2 г / см ³ , насыпная плотность 0,03–0,1 г / см ³ , теплопроводность 3000 Вт / (м · К) параллельно поверхности.

В виде многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT): NC7000 (Nanocyl ^TM , Sambreville, Бельгия), полученные в промышленном крупномасштабном процессе каталитического осаждения из паровой фазы, со средним диаметром 10 нм, средней длиной 1,3 мкм [46], чистота углерода 90%, площадь поверхности 250–300 м² / г [47] и плотность 1,75 г / см. ³ . Применяли три различных вида технического углерода (CB, Orion Engineered Carbons GmbH, Франкфурт-на-Майне, Германия) с плотностью 1,7–1,9 г / см ³ , а именно Printex ^® XE2B с жемчугом, Printex ^® L6 с жемчугом и Printex ^® 300 с жемчугом.Свойства приведены в таблице 1. Дополнительно измеряли размер частиц материалов (таблица 2). Теплопроводность CB составляет около 90 Вт / (м · К) [22]. Использовались три различных вида графита (G) с плотностью 2,2 г / см ³ , а именно TIMCAL TIMREX ^® KS150 ( Imerys Graphite & Carbon, Бодио, Швейцария) с насыпной плотностью 0,42 г / см ³ , TIMCAL TIMREX® KS500 (Imerys Graphite & Carbon, Бодио, Швейцария) с насыпной плотностью 0.8 г / см ³ и EP1200 (Ричард Антон К.Г., Мюнхен, Германия). Типичные размеры частиц, измеренные в этом исследовании, приведены в таблице 2. Теплопроводность графита составляет около 250 Вт / (м · К) [22].

Для измерения гранулометрического состава порошков сухого графита и сажи использовали лазерный дифракционный датчик HELOS / BR в сочетании с диспергирующими устройствами RODOS и ASPIROS (Sympatec GmbH, Клаусталь-Целлерфельд, Германия) в соответствии с ISO 13320. Диапазон измерения 0.От 5 до 875 мкм.

Компаундирование расплава выполняли с использованием конического двухшнекового микрокомпонатора DSM15 (Xplore, Sittard, Нидерланды) при 210 ° C и скорости вращения 150 об / мин в течение 5 мин времени перемешивания. Угольные наполнители сушили при 80 ° C в вакуумной печи в течение ночи. Наполнители и гранулы ПП были предварительно смешаны. Для измерения удельного электрического сопротивления и теплопроводности экструдированные композиты формовали прессованием при 210 ° C в течение 2 мин с использованием горячего пресса PW40EH (Otto-Paul-Weber GmbH, Ремсхальден, Германия).

Для измерения удельного электросопротивления на прессованных полосках (размер 30 мм x 5 мм x 0,5 мм, вырезанных из прессованных пластин) используется четырехточечная испытательная арматура (золотые контактные провода с расстоянием между электродами источника 16 мм и 10 мм). мм между измерительными электродами) в сочетании с электрометром 6517A (Кейтли, Кливленд, Огайо, США) или мультиметром DMM 2000 (Кейтли, Кливленд, Огайо, США). Для значений удельного электрического сопротивления выше 10 ⁷ Ом · см использовали приспособление для испытаний на удельное сопротивление Keithley 8009 (Кейтли, Кливленд, Огайо, США) на основе кольцевых электродов, и измерения проводили на прессованных круглых пластинах (60- диаметр мм, 0.Толщиной 5 мм).

Измерение теплопроводности проводилось на прессованных пластинах (диаметр 12,5 мм, толщина 2 мм) через пластины (⊥) с использованием светового импульсного устройства LFA 447 NanoFlash (Netzsch-Gerätebau GmbH, Зельб, Германия) при температуре 25 ° C. ° C. Измерение параллельно направлению прессования (║) невозможно.

Морфологические характеристики композитов были выполнены с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) с помощью микроскопа Ultra plus (Carl Zeiss GmbH, Йена, Германия, автоэмиссионный катод) с использованием ускоряющего напряжения 3 кэВ и детектора SE2.Композитные нити были подвергнуты криому разрушению в жидком азоте, напылены 3-нм платиной и исследованы поверхности.

3. Результаты

3.1. Системы с одним наполнителем в PP

Композиты на основе полипропилена, содержащие только один тип наполнителя, были исследованы до содержания наполнителя 7,5 об.%. На Рисунке 1, Рисунке 2 и Рисунке 3 обобщены результаты теплопроводности и объемного сопротивления. В связи с показанными здесь результатами был проведен тщательный отбор подходящих наполнителей.Для этого были изготовлены полипропиленовые композиты с 5 об.% Наполнителя с использованием различных типов наполнителей, и были измерены как удельное электрическое объемное сопротивление, так и теплопроводность. Эти результаты суммированы в Таблице S1 (ПП / технический углерод), Таблице S2 (ПП / расширенный графит) и Таблице S3, часть 1–3 (ПП / графит). Сравнение различных видов технического углерода показывает, что использование высокоструктурированная сажа (Printex ^® XE2B) приводит к максимальному увеличению теплопроводности и самому низкому порогу электрической перколяции (Рисунок 1).Для композитов ПП / графит наибольшее значение теплопроводности было достигнуто при использовании графита KS500 (рис. 2). По сравнению с другими видами графита, KS500 имеет самый большой размер частиц. Что касается электрических свойств, выбор графита с меньшим размером частиц (KS150) кажется более эффективным для достижения более низкого удельного сопротивления композитов ПП; однако значительное снижение было достигнуто только при 7,5 об.%. Композиты с графитом с наибольшим размером частиц (KS500) остались на уровне чистого ПП даже на уровне 7.Загрузка 5 об.%.

Сравнение композитов PP / CB с композитами PP / графит показывает, что порог электрической перколяции с наполнителем CB значительно ниже, чем с графитом. Однако более высокая теплопроводность может быть достигнута с использованием графита в качестве наполнителя.

Результаты теплопроводности и объемного удельного электрического сопротивления полипропилена, заполненного GNP, CF или CNT, суммированы на рисунке 3. При сравнении композитов, заполненных графитом и CB, с композитами, использующими GNP, CNT и CF, наибольшее значение термического Электропроводность определялась для композитов ПП / ГНЧ.При 0,5 Вт / (м · К) при нагрузке 7,5 об.% Было получено почти вдвое превышающее исходное значение PP. Композиты PP / CF показали прирост немного ниже, чем композиты PP / CB с XE2B, но в диапазоне двух других серий композитов с CB. Композиты с УНТ были исследованы только при 2,5 об.%, И значения теплопроводности несколько выше, чем у композита с CF, но ниже, чем у композита, содержащего ЗНЧ. В этом сравнении самое низкое значение объемного удельного электрического сопротивления было измерено для PP / 2.Композит с 5 об.% УНТ (рис. 3). Для композитов PP / GNP, начиная с нагрузки 5,0 об.%, Было обнаружено падение объемного удельного электрического сопротивления с более высоким порогом электрической перколяции, чем для композитов PP / CB (рис. 3). Композиты PP / CF остаются электрически изолирующими при нагрузке до 7,5 об.%. Это может быть связано с относительно низким соотношением сторон 18 такого типа CF и соответствует результатам, приведенным в исх. [49], в котором не наблюдалось значительной электропроводности до 20 об.% При добавлении этого типа CF в жидкокристаллический полимер.Для прогноза теплопроводности полимерных композитов с определенным количеством наполнителей были проведены расчеты на основе модели Хатта [48]. Модель Хатта основана на модели эквивалентных включений Эшелби [51], где наполнители с теплопроводностью λ _f заменены эквивалентными включениями, которые имеют такую ​​же теплопроводность, что и окружающая полимерная матрица (λ _m ), и те же собственные -температурный градиент [48]. Его можно применять для прогноза теплопроводности λ _c двухкомпонентных композитных систем.Предполагая, что частицы наполнителя имеют сферическую форму (например, технический углерод), можно использовать уравнение (1):

λcλm = 1 + Vf13 (1 − Vf) + λmλf − λm

(1)

где λ _c , λ _m и λ _f — теплопроводности композита, матрицы и наполнителя соответственно, а V _f — объемная доля наполнителя. Значения теплопроводности каждого материала приведены в экспериментальном разделе. В исследовании Standau et al. [52] для композитов на основе полипропилена, наполненных частицами нитрида бора, расчетные значения теплопроводности были близки к экспериментальным результатам, что позволяет предположить, что модель Хатта может обеспечить надежные значения.Для композитов PP / CB расчетные значения находятся в диапазоне значений, измеренных экспериментально, как показано на Рисунке 1. Это показывает, что модель подходит для наполнителей CB, даже если она не может отразить различия между различными структурами. Для композитов на основе различных типов графита сравнение экспериментальных и расчетных значений теплопроводности показывает более низкие прогнозируемые значения, чем измеренные значения (Рисунок 2). Это несоответствие может быть результатом того, что частицы графитового агломерата не имеют предполагаемой сферической формы, но образуют анизотропные стопки, как показано на СЭМ-изображениях графитового порошка в ссылке.[53]. Кроме того, такие стопки могут ориентироваться в процессе формования параллельно поверхности образца. Форма и ориентация агломератов частиц не были определены количественно в настоящем исследовании; однако ориентация частиц графита в направлении плоскости была описана в предыдущих исследованиях [53,54]. В случае ориентации наполнителя в направлении плоскости, теплопроводность также будет выше в этом направлении и значительно ниже при измерении через плоскость (направление измерения в нашем исследовании).Это указывает на то, что разница между моделью Хатта и измеренными значениями может быть еще больше, если измерение проводилось в направлении плоскости (не выполнялось). Таким образом, отклоняющаяся форма графита от сферической формы, принятой в модели, может быть основной причиной разницы между расчетными и измеренными значениями. Хотя GNP имеют форму хлопьев, они образуют агломераты с подобной частицам структурой в композитах, которые похожи на графит, как показано в исх. [54].Таким образом, они также рассматривались упрощенно как сферические частицы. Сравнение теоретических и экспериментальных значений показано на рисунке 3. Как и для графита, также для этого типа наполнителя расчетные значения ниже, чем экспериментально определенные значения теплопроводности. Разница между измеренными и расчетными значениями даже больше, чем для графита. Опять же, отклонение реальной формы GNP от предположения о сферической форме может быть основной причиной этого несоответствия, показывающего ограничение модели Хатта для наполнителей, которые не являются сферическими.Глядя на уравнение (1), становится ясно, что теплопроводность наполнителей λ _f при используемых низких загрузках наполнителя вносит вклад в теплопроводность λ _c всего композита только в небольшой степени. Следовательно, расчетные значения для всех сферических частиц (технического углерода, ЗНЧ и графита) совершенно одинаковы и в основном определяются проводимостью полимерной матрицы. Различия в форме и размере не могут быть отражены. Использование модели Хатта для расчета теплопроводности композитов с углеродными волокнами или углеродными нанотрубками не подходит, поскольку высокое соотношение сторон этих наполнителей и, следовательно, возможная ориентация частиц в образец для испытаний не учитывается.Поэтому была выбрана модель теплопроводности, разработанная Сюэ [50] для композитов на основе углеродных нанотрубок. В этой модели форма и соотношение сторон стержневых наполнителей, таких как CNT и CF, принимаются во внимание в расчетах, даже если они явно не фигурируют в уравнении:

λc = λm1 − Vf + 2Vfλfλf − λmln (λf + λm2λm) 1 − Vf + 2Vfλmλf − λmln (λf + λm2λm)

(2)

где λ _c , λ _m и λ _f — теплопроводности композита, матрицы и наполнителя соответственно, а V _f — объемная доля наполнителя.Расчетные значения теплопроводности композитов, наполненных CF или CNT, предсказанные с помощью уравнения (2), показаны на рисунке 3 синими пунктирными линиями. Для обоих композитов, наполненных CF или CNT, расчетные значения теплопроводности значительно превышают измеренные. Отклонения значений указывают на то, что модель, разработанная Сюэ, немного лучше подходит для композитов PP / CF, чем для композитов PP, заполненных УНТ. Это могло быть вызвано ориентацией наполнителей в полимерной матрице.Как показано в Kunz et al. [53], УНТ в прессованной пластине из композита полимер / УНТ в основном выровнены в плоскости. Из-за такой ориентации наполнителя можно ожидать более высокой теплопроводности в плоскости по сравнению со сквозной. Сюэ [50] предполагает в своей модели случайную дисперсию УНТ в матрице во всех пространственных направлениях. Следовательно, отклонения между экспериментально измеренными значениями и расчетными могут быть вызваны ориентацией наполнителя. С одной стороны, ориентация наполнителя противоположна направлению измерения, а с другой стороны, ориентация наполнителя в плоскости более выражена, чем предполагалось в модели Xue.

3.2. Системы бинарных наполнителей в PP

Во второй части исследования использовались комбинации двух различных наполнителей с сохранением общего содержания наполнителя 7,5 об.%. Цель состояла в том, чтобы найти возможные синергетические эффекты совместных проводящих сетей обоих наполнителей в матрице ПП в отношении теплопроводности и объемного удельного электрического сопротивления. Измеренные значения различных бинарных систем приведены в таблице 3.

Во-первых, комбинации наполнителя с наибольшим влиянием на теплопроводность в полипропилене, а именно GNP , с материалом, приводящим к наиболее значительному снижению объемного сопротивления в полипропилене. , а именно CNT .Теплопроводность, достигаемая с ПП / 5 об.% ВНП (0,39 Вт / (м · К)), может быть дополнительно увеличена до 0,5 Вт / (м · К) (увеличение до 193% по отношению к чистому ПП) путем добавления 2,5 об. % CNT. Такое же значение теплопроводности было достигнуто и для композита ПП / 7,5 об.% ВНЧ, но оба образца значительно различаются по удельному электрическому сопротивлению. Измеренное объемное электрическое сопротивление при 7,5 об.% Нагрузки GNP составило 3,3 · 10 ⁶ Ом · см, в то время как значение t 5,1 · 10 ² Ом · см было измерено для комбинации GNP / CNT.При более низком содержании ВНЧ 2,5 об.% В сочетании с 5 об.% УНТ было измерено значение теплопроводности 0,46 Вт / (м · К) (177% по отношению к чистому ПП), тогда как удельное электрическое сопротивление составляло 1,9 · 10 ² Ом см. Эти результаты показывают, что GNP более ответственен за увеличение теплопроводности и что на электрические свойства в основном влияет содержание CNT. Таким образом, синергетические эффекты могут наблюдаться для комбинации GNP и CNT как по удельному электрическому сопротивлению, так и по теплопроводности.

Комбинация GNP и CF в полипропилене была менее эффективной для увеличения теплопроводности или уменьшения удельного электрического сопротивления. Добавление 5 об.% CF к 2,5 об.% ВНП в ПП приводит к небольшому увеличению с 0,32 Вт / (м · К) (ПП / 2,5 об.% ВНП) до 0,37 Вт / (м · К), тогда как для ПП / 5 об.% CF, теплопроводность была на уровне чистого полипропилена (сравните Рисунок 3). Интересно, что удельное электрическое сопротивление PP / 5 об.% CF + 2,5 об.% GNP снизилось до 1,0 · 10 ⁸ Ом · см по сравнению с PP / 5 об.% CF или PP / 2.5 об.% ВНП, которые не проводят электричество (· 10 ¹⁷ Ом · см). Для композита PP / 5 об.% GNP + 2,5 об.% CF теплопроводность и электропроводность не изменились по сравнению с PP / 5 об.% GNP. Таким образом, синергетические эффекты могут наблюдаться для комбинации GNP и CF только по удельному электрическому сопротивлению.

Комбинация GNP и G в PP приводит к наивысшему значению теплопроводности 0,53 Вт / (м · K) (увеличение на 204% по сравнению с PP) при 5 об.% GNP и 2.Объединяли 5 об.% Графита. Значение удельного объемного сопротивления обоих композитов ПП, заполненных ГНП / Г (2,5 / 5 и 5 / 2,5 об.%), Указывает на образование комбинированных электрических сетей. Хотя композиты PP / G не были электропроводными до 7,5 об.% G, добавление G к PP / GNP приводит к снижению объемного удельного сопротивления по сравнению со значениями удельного сопротивления композитов PP / GNP. Удельное сопротивление PP / 2,5 об.% GNP (1,0 · 10 ¹⁷ Ом · см) и PP / 5 об.% GNP (1,0 · 10 ⁹ Ом · см) может быть уменьшено до 5.9 · 10 ⁹ Ом · см или 2,9 · 10 ⁷ Ом · см, соответственно, за счет включения 5 об.% G или 2,5 об.% G соответственно. Таким образом, синергетические эффекты могут наблюдаться для комбинации GNP и G только для удельного электрического сопротивления.

Для комбинации GNP и CB применялись высокоструктурированные (Printex ^® XE2B) и низкоструктурированные CB (Printex ^® P300). Результаты показывают, что использование CB с более высокой структурой приводит к более высокой теплопроводности и более низкому удельному электрическому сопротивлению.Для комбинации 5 об.% GNP и 2,5 об.% XE2B была измерена теплопроводность 0,51 Вт / (м · К), что является одним из самых высоких значений в этой серии. Было обнаружено очень низкое объемное сопротивление для PP / 2,5 об.% GNP + 5 об.% XE2B, которое составило 9,2 Ом · см. Таким образом, синергетические эффекты могут наблюдаться для комбинации GNP и CB как по удельному электрическому сопротивлению, так и по теплопроводности.

Композиты PP, содержащие комбинации G и CB , достигли низких значений объемного удельного электрического сопротивления.Для PP / 5 об.% G + 2,5 об.% CB XE2B было измерено удельное электрическое сопротивление 47 Ом · см. Принимая во внимание, что PP / 5 об.% G был непроводящим, а объемное сопротивление 6,4 · 10 ³ Ом · см было измерено для PP / 2,5% CB XE2B, наблюдается синергетический эффект в отношении электрических свойств. Для всех соотношений смеси CB – G (см. Таблицу 3) максимальная теплопроводность составила 0,43 Вт / (м · К) (увеличение до 165% по сравнению с ПП), что не означает увеличения теплопроводности по сравнению с индивидуальным наполнители.

Теплопроводность композитов ПП, содержащих CF и CNT, увеличилась до 0,40 Вт / (м · К) по сравнению с чистым ПП и, таким образом, до 154% по сравнению с ПП. Учитывая, что композиты PP, заполненные только УНТ или CF, не показывают увеличения теплопроводности, это синергетический эффект для теплопроводности. Объемное электрическое сопротивление композитов ПП / CF + УНТ, по-видимому, вызвано в основном наличием УНТ, даже если значение ПП с 2,5 об.% УНТ (1,3 · 10 ³ Ом · см) немного снижено добавлением от 5 об.% CF до 2.5 · 10 ² Ом см.

3.3. Системы тройных наполнителей в PP

Целью использования трех наполнителей вместе в матрице PP было получение композита, который сочетает в себе особые свойства всех наполнителей. Включение ЗНЧ в ПП приводит к высокой теплопроводности, а УНТ снижает удельное электрическое сопротивление композита ПП. Третий заполнитель предназначен для заполнения промежутков в комбинированной токопроводящей сети двух основных заполнителей. Для этого, с одной стороны, использовался наполнитель гораздо большего размера (CF), а с другой — сферический наполнитель (CB).Достигнутые значения теплопроводности и объемного удельного электрического сопротивления включены в Таблицу 3.

Для тройной системы наибольшая теплопроводность 0,5 Вт / (м · К) и наименьшее объемное удельное сопротивление 4,2 Ом · см были получены для комбинации GNP, CNT и высокоструктурированный CB с 2,5 об.% Каждого наполнителя. Поскольку теплопроводность отдельных наполнителей при 2,5 об.% Составляет 0,32 Вт / (м · К) для ПП / ВНП, 0,27 Вт / (м · К) для ПП / УНТ и 0,33 Вт / (м · К) для ПП / CB XE2B, в композите ПП, содержащем три наполнителя, наблюдается синергетический эффект.Синергетический эффект также может наблюдаться для удельного электрического сопротивления композита PP / GNP + CNT + CB, поскольку для PP / CNT и PP / CB объемное сопротивление составляет 1,3 10 ³ Ом · см и 6,4 10 ³ Ом. см, соответственно, было измерено при 2,5 об.%, а PP / 2,5 об.% GNP не был электропроводным. Как значительное увеличение теплопроводности, так и уменьшение объемного удельного сопротивления указывает на образование объединенной сетки наполнителей из трех наполнителей в матрице ПП.

Что касается других систем тройного наполнителя, значение удельного электрического сопротивления композита PP / GNP + CNT + CF в основном зависело от добавления CNT и оказалось равным 5.5 · 10 ² Ом · см, что лишь немного ниже значения для ПП / 2,5 об.% УНТ при 1,3 10 ³ Ом · см. Однако комбинация 2,5 об.% GNP + 2,5 об.% CNT + 2,5 об.% Низкоструктурированного CB (P300) в ПП также приводит к низкому значению объемного сопротивления 9,3 Ом · см. Результат снова показывает, что CB с высокой структурой (XE2B) больше подходит для уменьшения объемного удельного сопротивления, чем CB с низкой структурой (P300).

Таким образом, при установлении содержания наполнителя на уровне 7,5 об.% Лучшей смесью наполнителя в ПП для одновременного достижения как высокого термического, так и низкого удельного электрического сопротивления была комбинация GNP, CNT и высокоструктурированного CB, каждый из которых 2.5 об.%.

3.4. Морфологическая характеристика

Чтобы проиллюстрировать распределение наполнителей в матрице PP, была проведена сканирующая электронная микроскопия на криотрещеных поверхностях. На Рисунке 4 показан пример полипропилена, наполненного 5 об.% GNP + 2,5 об.% CNT (Рисунок 4a), 5 об.% CNT + 2,5 об.% CF (Рисунок 4b), а также комбинацией CF, CNT и GNP с 2,5 об. об.% каждого (рис. 4в, г). Все наполнители хорошо распределены. Углеродные нанотрубки видны на поверхности в виде небольших белых точек, которые особенно хорошо видны на рисунке 4b, и, кажется, очень хорошо распределены по отдельным трубкам.Графитовые нанопластинки имеют толщину больше, чем указано производителем, что указывает на то, что расслоение не было полностью успешным при выбранных условиях смешивания расплава и остались графитоподобные стопки.

Эти изображения подтверждают предположение, что объединенные сети наполнителей между используемым бинарным и тройным наполнителями развиваются и что наполнители поддерживают друг друга в развитии теплопроводности и электропроводности.

4. Резюме

Для композитов на основе полипропилена, смешанных в расплаве, модифицированных различными комбинациями наполнителей из теплопроводящих и электропроводящих наполнителей, были обнаружены синергетические эффекты для теплопроводности и электропроводности.Особенно для достижения высокой теплопроводности кажется выгодным смешивать наполнители с разной формой и соотношением сторон для образования комбинированной проводящей сети, как это было показано здесь для комбинаций GNP, G, CNT, CF или CB. .

При постоянном содержании наполнителя 7,5 об.% Наибольшее значение теплопроводности было достигнуто с комбинацией GNP (5 об.%) И графита (2,5 об.%), Что дало значение 0,53 Вт / (м · м · с). K), что более чем вдвое превышает значение чистого PP (0.26 Вт / (м · К)).

Для объемного удельного электрического сопротивления синергетические эффекты были обнаружены при использовании комбинации двух или трех наполнителей: полипропилен, наполненный 2,5 об.% ВНП, и 5 об.% CF, композиты PP / GNP + G или PP / GNP или PP / G в сочетании с высокоструктурированным CB.

Таким образом, было обнаружено, что теплопроводность в основном определяется наличием нанопластинок графита, тогда как удельное электрическое сопротивление определяется наличием многослойных углеродных нанотрубок.

ПП композит, имеющий одновременно высокую термическую (0.50 Вт / (м · К)) и с низким удельным сопротивлением (4,2 Ом · см) содержит смесь ЗНЧ, УНТ и высокоструктурированного СВ по 2,5 об.% Каждого.

Экспериментальные результаты дополнены теоретическими расчетами теплопроводности. Модель Hatta подходит для полипропилена, содержащего сферические наполнители CB, даже если она не в состоянии отразить различия между сажами с разной структурой. Для композитов из полипропилена, содержащих графит или графитовые нанопластинки, с помощью модели Хатта были рассчитаны более низкие значения теплопроводности, чем те, которые были обнаружены экспериментально.Одной из причин этого может быть двумерная форма чешуек графита. Для стержневых наполнителей, таких как УНТ и CF, для расчета теплопроводности использовалась модель Сюэ. Однако для обоих наполнителей были рассчитаны значительно более высокие значения теплопроводности, чем измеренные экспериментально. Поэтому этих расчетов недостаточно для прогноза. Предполагается, что причиной является ориентация наполнителя в полимерной матрице.

Прогнозирование теплопроводности полипропиленовых многослойных углеродных нанотрубок с использованием модели Кренчеля

Теплопроводность моделей композитных частиц хорошо документирована в литературе.В данной статье делается попытка подогнать экспериментальные данные по теплопроводности полимерных нанокомпозитов к трехфазной модели Кренчеля. Использование этой модели применимо для структур, которые состоят из полимерной матрицы, нанонаполнителя и межфазного слоя вокруг наночастиц. Эффект термического сопротивления Капицы реализован в модели вместе с предположением, что нанонаполнители имеют цилиндрическую форму и хорошо связаны друг с другом; однако в модели не указаны параметры, относящиеся к каким-либо типам диспергентов или методам диспергирования.Результаты трехфазной модели Кренчеля были подтверждены с использованием экспериментальных данных теплопроводности многослойных углеродных нанотрубок, внедренных в нанокомпозиты с полипропиленовой матрицей. Оказалось, что модель хорошо согласуется с экспериментальными данными по теплопроводности. Более того, результаты модели показали, что коэффициент геометрической упаковки наполнителя составлял 0,75; следовательно, углеродные нанотрубки образовывали пучки из нескольких цилиндрических трубок. Длина границы раздела между нанотрубками и полимерной матрицей составляла около 1 Å.Наконец, теплопроводность цилиндра из композитного жгута составила 21,63 Вт / (м · К).

1 Введение

Полимерные нанокомпозиты привлекательны тем, что, добавляя несколько процентов определенных включений, можно сохранить исходные свойства полимерной матрицы, такие как низкая плотность, легкость обработки и гибкость, одновременно улучшая другие свойства, такие как механические [ 1], [2], [3], электрические [4], [5], [6] и тепловые [1], [7], [8], [9]. Например, для электронных устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, требуются хорошие теплопроводящие материалы, чтобы обеспечить мгновенное рассеивание тепла, чтобы такие устройства могли поддерживать постоянную и желаемую температуру.Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают очень высокой проводимостью; в результате их можно использовать для изменения изолированных полимеров для достижения желаемой способности мгновенного рассеивания тепла. Настоящая работа посвящена изучению теплопроводности нанокомпозитов полипропилен (PP) — многослойные УНТ (MWCNT).

УНТ — одна из нескольких аллотропий углерода. УНТ имеют цилиндрическую форму и нанометровый диаметр в диаметре и могут быть синтезированы в виде одностенных, двустенных или многостенных углеродных нанотрубок. Теплопроводность, которая указывает на способность материала проводить тепло [10], у УНТ очень высока.Например, теоретически УНТ могут иметь очень высокую теплопроводность, которая может достигать 6000 Вт / (м · К) для одностенных УНТ и до 3000 Вт / (м · К) для МУНТ [11], [12]. Следовательно, ожидается, что теплопроводность полимера может быть увеличена путем добавления нескольких процентов УНТ. Таким образом, их можно использовать для получения теплопроводных полимерных нанокомпозитов [13], [14], [15].

Обычно тепло переносится двумя модами: колебаниями решетки (фононы) и свободными электронами [16].В полимерах и полимерных нанокомпозитах эффективность передачи тепла зависит от количества фононных колебаний из-за отсутствия свободных электронов. Следовательно, чтобы получить максимальную теплопередачу и, следовательно, высокую теплопроводность, рассеяние фононов должно быть минимизировано. В полимерных нанокомпозитах существует большое межфазное сопротивление тепловому потоку между внешней поверхностью нанонаполнителя и полимерной матрицей [17]. Это рассогласование вызывает рассеяние фононов и, как следствие, уменьшение ожидаемого значения теплопроводности.Есть несколько аспектов, которые должны рассматриваться как имеющие высокую теплопроводность в полимерных нанокомпозитах, такие как сильная химическая связь между нанонаполнителем и полимерной матрицей и увеличение кристалличности полимера [18].

Теоретические предсказания и моделирование теплопроводности нанокомпозитов служат не только в качестве полезных предикторов теплопроводности до производства, но также подтверждают экспериментальные результаты на протяжении всей разработки новых нанокомпозитов.Однако соответствующие модели нанокомпозитных полимеров являются мощным инструментом для понимания макроскопических термических свойств и их микроструктуры. Таким образом, теоретическое определение эффективной теплопроводности нанокомпозитов стало предметом значительных исследований. Теории и модели транспортных свойств и теплопроводности композитов восходят к модели Максвелла [19]. Максвелл разработал аналитическую модель (приближение эффективной среды Максвелла-Гарнетта) для расчета эффективной теплопроводности композиционных материалов.Модель Максвелла служит основой для нескольких других моделей изучения транспортных свойств композитов. К сожалению, модель Максвелла имеет некоторые ограничения, например, она не учитывает межфазное сопротивление, требует, чтобы объемная доля дисперсной фазы была низкой, и она действительна только для сферических включений.

Хассельман и Джонсон [20] на основе модели Максвелла разработали другую модель для расчета эффективной теплопроводности композитных материалов.Однако модель Хассельмана и Джонсона считается важным вкладом в моделирование теплопроводности композитных материалов не только потому, что учитывается межфазное тепловое сопротивление, но и потому, что также учитывались эффекты размера и формы дисперсной фазы. Тем не менее, эта модель похожа на модель Максвелла, потому что она применима только тогда, когда объемная доля дисперсной фазы низка. В 1986 году Бенвенист и Милох [21] предложили модель, аналогичную модели Хассельмана и Джонсона, в которой учитываются межфазное сопротивление и эффект размера включения.Кроме того, модель Бенвениста и Милох действительна только для небольших объемных долей дисперсной фазы. Однако Бенвенист [22] попытался устранить это ограничение, разработав другую модель. Он смоделировал эффективную теплопроводность, используя два микромеханических подхода. Однако оба метода генерируют одно и то же эффективное термическое выражение с объемной долей включений до 0,5 об.%.

В 1992 году Every et al. [23] представили модель, основанную на теории эффективной среды Бруггемана, пытаясь расширить применимый диапазон объемных долей, учитывая взаимодействие между наполнителями.Таким образом, Every et al. разработал модель сферических композиционных материалов наполнителя, в которой используются радиус Капицы и межфазное сопротивление. Однако модель не использовалась с включениями несферической формы. Позже, в 1997 году, Nan et al. [24] представили общее приближение эффективной среды для прогнозирования эффективной теплопроводности микрокомпозитов как функции подхода эффективной среды, связанного с эффектами теплопроводности наполнителя и матрицы, межфазного теплового сопротивления, объемной доли наполнителя, размера и ориентации. .Также Nan et al. в 2003 г. [25] была предложена еще одна простая модель для определения теплопроводности композитов УНТ; однако, к сожалению, термическое сопротивление на границе раздела матриц УНТ не учитывалось; Таким образом, прогнозы были завышены. Поэтому в 2004 г. Nan et al. [26] улучшили предыдущую модель, чтобы описать влияние термического сопротивления границы раздела на теплопроводность композитов УНТ. Модифицированная модель основана на теории Максвелла-Гарнетта. Тем не менее, одним из основных предположений этой модели было то, что УНТ изолированы друг от друга.Действительно, это предположение неверно, поскольку УНТ могут взаимодействовать друг с другом, даже если процентное содержание УНТ в нанокомпозитах меньше 0,1 мас.% [27]. Поэтому модель каким-то образом ограничивается низкими объемными долями УНТ.

В этой статье модель эффективной теплопроводности для композитов УНТ включает теплопроводность матрицы и объем наполнителя. Предлагаемая модель предполагает, что теплопроводные композитные материалы состоят из теплопроводности трех фаз, включая теплопроводность объемной полимерной матрицы и теплопроводности композитного жгута.Связки определяются как наполнители и плотный полимерный слой, который имеет характеристики, отличные от основной матрицы, что, в свою очередь, является функцией термического сопротивления Капицы. Кроме того, эта модель не только учитывает эффект термического сопротивления Капицы, но также учитывает длину и предполагает случайную ориентацию нанотрубок. Однако эта уникальная модель пригодна для описания теплопроводности композитов УНТ во всем диапазоне загрузки УНТ до 6,48 об.%. Основная цель настоящего исследования состоит в том, чтобы модифицировать механическую модель Кренчеля для прогнозирования теплопроводности полимерного нанокомпозита путем подгонки предложенной трехфазной модели к имеющимся экспериментальным данным из литературы.Целью также является определение теплопроводности композита, длины границы раздела между УНТ и полимерной матрицей, геометрического фактора упаковки и количества МУНТ в жгуте УНТ.

2 Модель

В этой статье механическая модель Кренчеля [28], которая была предложена для исследования механических свойств композитных материалов, была улучшена для оценки теплопроводности композитной структуры. Модель Кренчеля была модифицирована в соответствии с формулой.(1):

(1) kc = km (1 − Ø) + δlδ0kfØ,

, где k _c , k _m и k _{f — теплопроводности композита, матрицы и наполнителя соответственно; Ø — объемная доля содержания наполнителя; δ l — поправочный коэффициент длины волокна; и δ 0 — коэффициент ориентации наполнителя.}

Поправочный коэффициент длины ( δ _l ) можно рассчитать с помощью формул.(2) и (3):

(2) δl = 1− (tanh (βl / 2) βl / 2),

(3) β = 1 / r (км / 2kf) ln (R / r) ) 1/2,

, где l — длина волокна, r — его радиус, а R — среднее расстояние между волокнами по нормали к его длине. Более того, ясно, что уравнения. (2) и (3) связывают размеры наполнителя (то есть радиус и длину наполнителя) с его теплопроводностью. Выражение ( R / r ), которое появляется в уравнении. (3), как ожидается, будет функцией объемной доли наполнителя (Ø) [29] следующим образом:

(4) Rr ~,

где ∀ — геометрический коэффициент упаковки наполнителя.Первоначально геометрический коэффициент упаковки был введен для описания количества волокон в пучке, природы поперечного сечения пучка, а также размера и формы поперечного сечения волокна [30].

Чтобы эффективно оценить теплопроводность нанокомпозитов, оценивается модель композитного пучка цилиндров (CBC), и влияние сопротивления Капицы [31] включается в оценку. Таким образом, композитный материал состоит из трех фаз: двух фаз внутри композитного пучка (волокна наполнителя и плотный полимерный слой), а третья фаза — это объемная полимерная матрица.

Предполагая, что все наполнители имеют цилиндрическую форму, объемная доля CBC (Ø _CBC ) может быть рассчитана по формуле. (5):

(5) ØCBC = nπ (Nfr + τ) 2l,

, где n — количество частиц в единице объема, а N _f — количество волокон в пучке. . Кроме того, τ — толщина полимерного слоя, окружающего пучки наполнителя. Уравнение (5) может быть сокращено и переписано в зависимости от объемной доли наполнителя (Ø) в виде

(6) ØCBC = Ø (1 + τ / Nfr) 2.

CBC имеет общий объем пучков наполнителя плюс объем слоя, окружающего пучок. Таким образом, теплопроводность CBC ( k _CBC ) может быть получена с использованием серийной модели следующим образом:

(7) 1kCBC = Øf´kf + Øτ´kτ,

, где Ǿ _f — объемная доля наполнителя в ОГС, Ǿ _τ — объемная доля слоя, окружающего пучок (входящего в объем композитного цилиндра), а k _τ — тепловая проводимость межфазного слоя.Более того, теплопроводность CBC ( k _CBC ) в терминах теплового сопротивления Капицы ( R _x ) может быть записана следующим образом:

(8) kCBC = kf1 + kfτ2rkτNf = kf1 + kfRx2rNf,

где Rx = τkτ.

Модель Кренчеля, Ур. (1), можно переписать, чтобы включить в рассмотрение три фазы, где объемная доля наполнителя становится объемной долей CBC [Ур. (6)], а теплопроводность наполнителя заменяется теплопроводностью CBC [уравнение.(8)]. Следовательно, исходное уравнение Кренчеля можно модифицировать и переписать следующим образом:

(9) kc = km (1 − Ø (1 + τ / Nfr) 2) + δlδ0kCBCØ (1 + τ / Nfr) 2.

3 Результаты и обсуждение

Чтобы подтвердить предложенную модель, недавние экспериментальные данные по теплопроводности, проведенные Мазовым и др. [14]. MWCNT, внедренные в матрицу PP, имеют средний диаметр 22 нм, как указано в исследовании Mazov et al. Экспериментальные данные теплопроводности представлены в таблице 1. Однако значения массовой доли MWCNT были преобразованы в объемную долю с использованием уравнения.(10):

Таблица 1:

Теплопроводность экспериментальных данных образцов PP + MWCNT [14].

9573 0

Массовый процент MWCNT (мас.%)	Объемный процент MWCNT (об.%)	Теплопроводность, k c [Вт / (м · K)]
0	0,20
1	0,37	0,27
2	0,74	0.31
5	1,80	0,37
10	3,89	0,47
16	6,48	0,55

9000ρf wf (10) wf (10) wf (10) ρm,

где w _f , w _m , ρ _f , и ρ _m вес фракции наполнителя, весовая доля матрицы , плотность наполнителя и плотность матрицы соответственно.В данном исследовании значения плотности наполнителя и матрицы были использованы как 2,6 и 0,946 г / см ³ соответственно.

Основное внимание в этом исследовании уделяется определению количества УНТ в каждом жгуте, толщины полимерного слоя, окружающего жгуты УНТ, и теплопроводности CBC экспериментальных данных. С этой целью теплопроводность полипропилена была принята равной 0,2 Вт / (м · К) в подгоночном анализе [32]. Поскольку УНТ обладают широким диапазоном теплопроводности — например, одностенные УНТ имеют теплопроводность 6000 Вт / (м · К), тогда как МУНТ имеют теплопроводность 3000 Вт / (м · К) [11], [12] ] — в данном исследовании было принято значение теплопроводности 3000 Вт / (м · К).Более того, длина МУНТ, использованных в исследовании Мазова и др., Составляла от 1 до 2 мкм [14]; Таким образом, в расчетах использовались МУНТ со средней длиной 1,5 мкм. Важно отметить, что диапазоны размеров и распределения MWCNT, использованные в этом исследовании, были основаны на просвечивающем электронном микроскопе (TEM) и статистическом анализе изображений 400-500 MWCNTs TEM с программным обеспечением Gatan для микроскопии, как объяснено в другом месте [14]. Кроме того, коэффициент ориентации ( δ ₀ ) равен 1 для полностью выровненных волокон, 3/8 для случайного двумерного выравнивания и 1/5 для трехмерного выравнивания.В этой модели принято значение 3/8 [29].

В этой статье теплопроводность композитов MWCNT-PP увеличилась с 0,27 до 0,55 Вт / (м · К) при увеличении массовой доли с 1 до 16 мас.%. Теплопроводность матрицы [0,2 Вт / (м · К)] на порядки меньше, чем у МУНТ [3000 Вт / (м · К)]. Ожидается, что использование наполнителей с высокой теплопроводностью улучшит общую теплопроводность композита. Теоретически при 16 мас.% MWCNT теплопроводность композита может достигать 200 Вт / (м · К), исходя из простого правила смесей.Однако теоретическое значение теплопроводности MWCNT намного выше, чем объемное экспериментальное значение, которое учитывает многочисленные высокие термические контактные сопротивления между самими трубками [3000≈20 Вт / (м · К)] [33]. Если выбрать это объемное экспериментальное значение вместо теоретического значения, теплопроводность будет примерно 2 Вт / (м · К), что все еще более чем на один порядок величины от значений, сообщенных экспериментально. Столь низкая теплопроводность композита также может быть объяснена многочисленными высокими тепловыми контактными сопротивлениями, возникающими между нанотрубками и матрицей ПП, что является сопротивлением Капицы.Таким образом, важно включить эффект сопротивления Капицы в текущую модель, как показано в уравнениях. (8) и (9) [24]. Сопротивление Капицы ( R _x ) имеет значение ~ 10 ⁻⁷ (м ² K) / Вт, что является отличительной чертой УНТ и полимерной матрицы [33].

Кроме того, поправочный коэффициент длины ( δ _l ) был рассчитан по формулам. (2) и (3). Геометрия упаковки волокна была исследована [34] и оказалась одной из трех идентифицированных форм: квадратная упаковка, где волокна заключены в квадрат, где геометрия упаковки волокна составляет π /4; плотная упаковка, в которой волокна расположены гексагонально, а геометрия упаковки волокон составляет π / 23; и открытая упаковка, в которой волокна расположены коаксиальными слоями.В этой модели предполагается режим открытой упаковки, поскольку считается, что УНТ образуют пучки из нескольких цилиндрических трубок в каждом пучке. Коэффициент геометрической упаковки наполнителя определяется формулой. (11) [30], [34]:

(11) ∀ = 3Nr (Nr − 1) +1 (2Nr − 1) 2,

, где N _r — количество слоев и его отношение к количеству волокон, N _f , определяется формулой. (12):

(12) Nr = 12 + 14 + 13 (2Nf − 1).

На рис. 1 показаны экспериментальные и подогнанные данные теплопроводности полипропилена, залитого MWCNT.Как показано на рисунке 1, теплопроводность увеличивается с увеличением объемной доли MWCNT из-за усиления частиц с гораздо более высокой теплопроводностью. Результаты экспериментов показывают улучшение примерно на 275% при добавлении 16 мас.% MWCNT. Похожее исследование King et al. [35] для полипропилена, залитого MWCNT, показывает увеличение на 240% при добавлении 15 мас.% MWCNT. Другое исследование Szentes et al. [36] на MWCNT-PP показали, что теплопроводность улучшилась на 57%, когда было добавлено только 5 мас.% MWCNT.Однако это небольшое улучшение было связано с тем, что MWCNT, использованные в исследовании Szentes et al., Были смешаны с некоторым количеством талька.

Рис. 1:

Экспериментальные данные по теплопроводности вместе с теплопроводностью, рассчитанной по уравнению Кренчеля (уравнение 9), средний диаметр MWCNT = 22 нм.

Результаты подгонки данных показаны в таблице 2; при использовании МУНТ диаметром 22 нм в пучке содержится в среднем 240 000 УНТ. Хотя количество MWCNT на пучок не имеет научного значения, это значение используется для проверки модели.Подгоночные значения можно легко вычислить, и в жгуте было около 200 000 УНТ, если предполагался диаметр жгута 5 мкм. Кроме того, можно показать, что в жгуте было 300000 УНТ, если принять диаметр жгута 6 мкм. Следовательно, средний диаметр жгута при использовании 22 нм MWCNT составлял от 5 до 6 мкм. Изображения ПЭМ в Мазов и др. [14] показали, что 22-нм MWCNTs образуют значительные скрученные агломерации с типичным размером в несколько микрон, что согласуется с результатами этой модели.Стоит отметить, что геометрический фактор наполнителя () оказался равным 0,75 для большого количества волокон [30], [34]. Таким образом, поскольку в связке содержалось около 240 000 УНТ, ожидалось получить значение 0,75 для геометрического фактора упаковки.

Таблица 2:

Подгоночные параметры модели Кренчеля.

Параметр	D MWCNT = образцы 22 нм
Количество упаковок MWCNT / связка, N ,000 f128 930 240000	0.75
Длина границы раздела, τ (Å)	1
Теплопроводность CBC [Вт / (м · К)]	21,63

Кроме того, результаты в таблице 2 показывают, что длина межфазной области изменяется при изменении диаметра MWCNT. Соответствующее значение длины границы раздела составляет 1 Å при диаметре МУНТ 22 нм. Кроме того, результаты исследования Мазова и др. [14] показывают, что окисление поверхности МУНТ толщиной 22 нм приводит к образованию карбоксильных групп на поверхности образцов.При 16 мас.% (6,48 об.%) Образцы имеют теплопроводность ~ 0,53 Вт / (м · К). Между тем, подобранные параметры в этой точке показывают, что длина межфазного слоя составляет 9 Å. Этот результат показывает, что функционализация полимера имеет тенденцию к увеличению толщины межфазного слоя полимера и, следовательно, к снижению теплопроводности нанокомпозита из-за рассеяния фононов и неоднородности на границе раздела. Как отмечено на рисунке 1, теплопроводность нефункционализированных образцов при 16 мас.% MWCNT была около 0.55 Вт / (м · K), тогда как теплопроводность функционализированных образцов с той же загрузкой MWCNT составляла около 0,53 Вт / (м · K). Таким образом, теплопроводность функционализированных образцов MWCNT уменьшилась по сравнению с нефункционализированными образцами. Такое поведение можно объяснить степенью дефектов и искажений из-за функционализации на внешней поверхности.

Здесь стоит отметить, что дисперсия УНТ в целом сильно зависит от типов используемого диспергатора и методов диспергирования, которые могут привести к разному количеству МУНТ на пучок и разной длине границы раздела.Экспериментально использование различных диспергаторов, таких как додецилбензолсульфонат, октилфенолэтоксилат (Triton X-100) и поливинилпирролидон в различных растворителях для диспергирования УНТ, позволяет получить широкий диапазон свойств. Кроме того, даже для одинаковых массовых процентов УНТ в матрице ПП, если метод диспергирования отличается, количество MWCNT на пучок и длина интерфейса будут разными. Такие данные важны для расчетов, позволяющих прогнозировать теплопроводность УНТ.Однако предлагаемая в данной работе модель ограничивается экспериментальной процедурой, описанной в [3]. [14], поскольку в модели не реализованы параметры, описывающие влияние методов диспергирования и типов используемых диспергентов. Следовательно, модель Кренчеля в этом текущем формате не может предсказать влияние типа диспергатора и методов диспергирования на теплопроводность.

Результаты теплопроводности CBC показывают, что значение теплопроводности композита было 21.63 Вт / (м · К). Это значение было получено путем подгонки уравнения к общей объемной доле MWCNT; таким образом, это можно рассматривать как способ усреднить все объемные доли. Кроме того, фитинг функционализированного образца диаметром 22 нм показывает эффективную теплопроводность 9,07 Вт / (м · К). В дополнение к тому факту, что первое значение было средним значением, также считалось, что такое поведение было связано с более высоким межфазным термическим сопротивлением, которое привело к снижению теплопроводности (т.е.е. снижая или препятствуя переносу фононов) [37]. По словам Кочетова, теплопроводность композитного пучка наночастиц нитрида алюминия, внедренных в матрицу из эпоксидной смолы, имела значение 22 Вт / (м · К), что очень сопоставимо со значением, полученным в данном исследовании [38]. В нанокомпозитах теплопроводность композитного жгута уменьшается, поскольку межфазное термическое сопротивление играет доминирующую роль при этом размере. Однако считается, что теплопроводность CBC зависит от толщины границы раздела слоев, когда полимер функционализирован, предлагаемая трехфазная модель лучше работает с функционализированным полимером, и более реалистично предположить трехфазные модели, когда функционализированные наполнители являются под следствием.

4 Заключение

Теплопроводность полипропилена, встроенного в многослойные углеродные нанотрубки, была исследована для более глубокого понимания взаимосвязи структуры и свойств наночастиц и полимерных систем. Было обнаружено, что межфазный полимерный слой, который работает как теплопроводное вещество, играет роль в теплопроводности полимерных композиционных материалов, содержащих функционализированные и модифицированные нанонаполнители. Также было обнаружено, что модель Кренчеля хорошо согласуется с экспериментальными данными, поскольку экспериментальные данные были подогнаны с высокой точностью.В будущих исследованиях следует изучить природу межфазного слоя между нанонаполнителями и полимерной матрицей, поскольку их характеристики подробно не известны. Кроме того, чтобы улучшить модель, в модель следует включить влияние типов диспергентов и методов диспергирования.

Ссылки

[1] Yuan B, Bao C, Song L, Hong N, Liew KM, Hu Y. Chem. Англ. J. 2014, 237, 411–420.10.1016 / j.cej.2013.10.030 Поиск в Google Scholar

[2] Арао Й, Юмитори С., Сузуки Х., Танака Т., Танака К., Катаяма Т. Compos. Pt. Приложение A Appl. Sci. Manuf. 2013, 55, 19–26.10.1016 / j.compositesa.2013.08.002 Искать в Google Scholar

[3] Наффах М., Диес-Паскуаль А.М., Ремшкар М., Марко К. J. Mater. Chem. 2012, 22, 17002–17010.10.1039 / c2jm33422d Поиск в Google Scholar

[4] Mutiso RM, Winey KI. Progr. Polym. Sci. 2015, 40, 63–84.10.1016 / j.progpolymsci.2014.06.002 Искать в Google Scholar

[5] Селвин Томас П., Абдуллатиф А., Аль-Харти М., Атиех М., Де С.К., Рахаман М., Чаки Т.К. , Хастгир Д., Бандёпадхьяй С. J. Mater. Sci. 2012, 47, 3344–3349.10.1007 / s10853-011-6174-4 Поиск в Google Scholar

[6] Билотти Э, Чжан Х., Дэн Х., Чжан Р., Фу Кью, Пэйс Т. Compos. Sci. Technol. 2013, 74, 85–90.10.1016 / j.compscitech.2012.10.008 Поиск в Google Scholar

[7] Fan LW, Fang X, Wang X, Zeng Y, Xiao YQ, Yu ZT, Xu X, Hu YC , Cen KF. Прил. Energy 2013, 110, 163–172.10.1016 / j.apenergy.2013.04.043 Искать в Google Scholar

[8] Kim SY, Noh YJ, Yu J. Compos. Sci. Technol. 2014, 101, 79–85.10.1016 / j.compscitech.2014.06.028 Поиск в Google Scholar

[9] Yu J, Huang X, Wu C, Wu X, Wang G, Jiang P. Polymer 2012, 53, 471–480.10.1016 / j.polymer.2011.12.040 Искать в Google Scholar

[10] Бергман Т.Л., Incropera FP, Lavine AS. Основы тепломассообмена. Wiley: New York, 2011. Поиск в Google Scholar

[11] Бирчук MJ, Llaguno MC, Radosavljevic M, Hyun JK, Johnson AT, Fischer JE. Прил. Phys. Lett. 2002, 80, 2767–2769.10.1063 / 1.1469696 Поиск в Google Scholar

[12] Kim P, Shi L, Majumdar A, McEuen PL. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 215502.10.1103 / PhysRevLett.87.215502 Искать в Google Scholar

[13] Gulotty R, Castellino M, Jagdale P, Tagliaferro A, Balandin AA. ACS Nano 2013, 7, 5114–5121.10.1021 / nn400726g Искать в Google Scholar

[14] Мазов И.Н., Ильиных И.А., Кузнецов В.Л., Степашкин А.А., Ергин К.С., Муратов Д.С., Чердынцев В.В., Кузнецов Д.В., Иссинцев Д.В. . J. Alloys Comp. 2014, 586 (Дополнение 1), S440 – S442. Искать в Google Scholar

[15] Gong P, Buahom P, Tran MP, Saniei M, Park CB, Pötschke P. Carbon 2015, 93, 819–829.10.1016 / j.carbon.2015.06.003 Искать в Google Scholar

[16] Каллистер В.Д., Ретвиш Д.Г. Материаловедение и инженерия: введение . Wiley: New York, 2007. Поиск в Google Scholar

[17] Агарвал С., Хан ММК, Гупта Р.К. Polym. Англ. Sci. 2008, 48, 2474–2481.10.1002 / pen.21205 Искать в Google Scholar

[18] Шинде С.Л., Гоела Дж. Материалы с высокой теплопроводностью . Springer: Berlin, 2006. Искать в Google Scholar

[19] Maxwell JC. Трактат об электричестве и магнетизме. Clarendon Press: Oxford, 1873. Искать в Google Scholar

[20] Hasselman D, Johnson LF. J. Compos. Матер. 1987, 21, 508–515.10.1177 / 002199838702100602 Искать в Google Scholar

[21] Benveniste Y, Miloh T. Внутр. J. Eng. Sci. 1986, 24, 1537–1552.10.1016 / 0020-7225 (86)

-X Искать в Google Scholar

[22] Benveniste Y. J. Appl. Phys. 1987, 61, 2840–2843.10.1063 / 1.337877 Искать в Google Scholar

[23] Эвери А, Цзоу Й, Хассельман Д., Радж Р. Acta Metallurg. Матер. 1992, 40, 123–129.10.1016 / 0956-7151 (92)

-S Искать в Google Scholar

[24] Nan CW, Birringer R, Clarke DR, Gleiter H. J. Appl. Phys. 1997, 81, 6692–6699.10.1063 / 1.365209 Искать в Google Scholar

[25] Nan CW, Shi Z, Lin Y. Chem. Phys. Lett. 2003, 375, 666–669.10.1016 / S0009-2614 (03) 00956-4 Поиск в Google Scholar

[26] Nan CW, Liu G, Lin Y, Li M. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 3549–3551.10.1063 / 1.1808874 Поиск в Google Scholar

[27] Рамасубраманиам Р., Чен Дж., Лю Х. Прил. Phys. Lett. 2003, 83, 2928–2930.10.1063 / 1.1616976 Искать в Google Scholar

[28] Krenchel H. Армирование волокном; теоретические и практические исследования упругости и прочности волокнистых материалов . Akademisk Forlag: Копенгаген, Дания, 1964. Искать в Google Scholar

[29] Джонуби М., Харун Дж., Мэтью А.П., Оксман К. Compos. Sci. Technol. 2010, 70, 1742–1747.10.1016 / j.compscitech.2010.07.005 Искать в Google Scholar

[30] Du GW, Chou TW, Popper P. J. Mater. Sci. 1991, 26, 3438–3448.10.1007 / BF00557129 Искать в Google Scholar

[31] Pollack GL. Rev. Modern Phys. 1969, 41, 48–81.10.1103 / RevModPhys.41.48 Поиск в Google Scholar

[32] Мазов И., Бурмистров И., Ильиных И., Степашкин А., Кузнецов Д., Исси Дж. Polym. Compos. 2014, 36, 1951–1957. Искать в Google Scholar

[33] Ху М., Кеблински П., Шеллинг П.К. Phys. Rev. B 2009, 79, 104305.10.1103 / PhysRevB.79.104305 Поиск в Google Scholar

[34] Peters ST. Справочник по композитам . Springer: США, 2013. Поиск в Google Scholar

[35] Кинг Дж. А., Гаксиола Д. Л., Джонсон Б. А., Кейт Дж. М.. J. Compos. Матер. 2009, 44, 839–855. Искать в Google Scholar

[36] Szentes A, Varga C, Horvath G, Bartha L, Konya Z, Haspel H, Szél J, Kukovecz A. Carbon 2012, 7, 8. Искать в Google Scholar

[37 ] Калаконда П., Кабрера Ю., Джудит Р., Георгиев Г. Ю., Себе П., Ианнакчионе Г. С.. Nanomater. Nanotechnol. 2015, 5. DOI: 10.5772 / 60083. Искать в Google Scholar

[38] Кочетов Р. Тепловые и электрические свойства нанокомпозитов, включая свойства материалов , Делфтский технический университет, Технологический университет Делфта, 2012.Искать в Google Scholar

Получено: 2016-2-2

Принято: 2016-8-6

Опубликовано в Интернете: 2016-8-17

Опубликовано в печати: 2018-3- 28

© 2018 Walter de Gruyter GmbH, Берлин / Бостон

Эта статья распространяется на условиях Некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

Теплопроводность ненаполненных пластиков

На этот раз основное внимание уделяется теплопроводности ненаполненных пластиков. Их сотни, поэтому можно представить лишь небольшую подборку. С термической точки зрения, пластмассы — чрезвычайно сложное семейство. Различные источники показывают большие различия в теплопроводности, а справочники предоставляют диапазон значений для многих материалов вместо одного значения.

Причин много. Обращает на себя внимание изменение плотности, что ясно демонстрируют значения для полиэтилена в таблице ниже.Другой важный и часто упускаемый из виду источник (анизотропных) изменений в пластмассах, полученных литьем под давлением, — это скорость впрыска. Исследования показали, что можно достичь «металлических» значений на экстремальных скоростях из-за растяжения полимерных цепей в направлении потока.

Теплопроводность незаполненного пластика (Вт / м · К)

Акрилонитрил-бутадиен-стирол	АБС	0,14-0,21
Ацеталь	Делрин	0.23-0,36
Ацетат целлюлозы	CA	0,16-0,36
Диаллилфталат	Dapon	0,31
Эпоксидная смола		0,19
Этилцеллюлоза		0,23
Этилвинилацетат		0,08
Фенольный		0.17
Полиамид	Нейлон 6-11-12-66	0,24-0,3
Полиарамид	Кевлар, волокна Nomex	0,04–0,13
Поликарбонат	ПК	0,19-0,22
Политетрафторэтилен	ПТФЭ, тефлон	0,25
Полиэтилентерефталат	ПЭТ, Полиэстер	0.15-0,4
Полиэтилен L	Низкая плотность	0,33
Полиэтилен HD	Высокая плотность	0,45-0,52
Полиимид	Каптон	0,10-0,35
Полиметилметакрилат	ПММА, акрил, плексиглас, оргстекло	0,17-0,19
Полифениленоксид	ППО, Норил	0.22
Полипропилен	PP	0,1-0,22
Полистирол	PS	0,1–0,13
Полисульфон		0,26
Полиуретан	PUR	0,29
Поливинилхлорид	ПВХ	0,12–0,25
Поливинилиденфторид	Кинан	0.1-0,25

В таблице также показан интересный диапазон теплопроводности с теплотехнической точки зрения. Например, разница между полиимидом и HD-полиэтиленом составляет пять раз, что соответствует разнице между естественной и принудительной конвекцией с точки зрения теплопередачи.

Все значения в таблице определены для комнатной температуры. Как показывает практика, теплопроводность увеличивается на несколько процентов в диапазоне 0–100 ° C.Только при очень низких температурах (обычно 40K) пластмассы демонстрируют явное снижение, в отличие от металлов, которые показывают очень впечатляющее повышение (Al:> 13000 Вт / м ² K!).

Примечание: наполнители могут вызывать некоторые из более высоких значений; вам необходимо проверить данные производителя. Источники (среди прочих): www.goodfellow.com, www.efunda.com.

Теплоизоляция пластмасс: технические свойства

Почему пластик — хороший изолятор?

Пластмассы являются плохими проводниками тепла, потому что в них практически нет свободных электронов, доступных для механизмов проводимости, таких как металлы.

Теплоизоляционная способность пластика оценивается путем измерения теплопроводности. Теплопроводность — это передача тепла от одной части тела к другой, с которой она контактирует.

• Для аморфных пластиков при 0-200 ° C теплопроводность находится в пределах 0,125-0,2
  Вт · м ^-1 K ^-1
• Частично кристаллические термопласты имеют упорядоченные кристаллические области и, следовательно, лучшую проводимость

Теплоизоляция из полимера (термопласты , пена или термореактивный материал ) необходима для:

1. Понимания процесса переработки материала в конечный продукт
2. Установить соответствующие приложения материала e.грамм. пенополимерные для изоляции

Например, PUR и PIR можно формовать в виде плит и использовать в качестве изоляционных пен для крыш, оштукатуренных стен, многослойных стен и полов.

Узнайте больше о теплоизоляции:

»Как измерить теплопроводность пластмасс?
»Как материалы проводят — Механизм
» Факторы, влияющие на теплоизоляцию
»Значения теплоизоляции некоторых пластмасс

Как измерить теплопроводность полимеров

Есть несколько способов измерить теплопроводность. Теплопроводность пластмасс обычно измеряется в соответствии с ASTM C177 и ISO 8302 с использованием устройства с защищенной горячей плитой.

Устройство с защищенной горячей плитой обычно признано основным абсолютным методом измерения свойств теплопередачи гомогенных изоляционных материалов в виде плоских плит.

Охраняемая плита — Между двумя плитами помещается твердый образец материала. Одна пластина нагревается, а другая охлаждается или нагревается в меньшей степени.Температура пластин контролируется до тех пор, пока она не станет постоянной. Для расчета теплопроводности используются установившиеся температуры, толщина образца и подвод тепла к горячей пластине.

Следовательно, теплопроводность k рассчитывается по формуле:

где

• Q — количество тепла, проходящего через основание образца [Вт]
• Площадь основания образца [м ² ]
• d расстояние между двумя сторонами образца [м]
• T ₂ температура более теплой стороны образца [K]
• T ₁ температура на более холодной стороне образца [K]

Механизм теплопроводности

Теплопроводность в полимерах основана на движении молекул по внутри- и межмолекулярным связям.Структурные изменения, например сшивание в термореактивных реактивах и эластомерах увеличивает теплопроводность, поскольку ван-дер-ваальсовые связи постепенно заменяются валентными связями с большей теплопроводностью.

В качестве альтернативы, уменьшение длины пути между связями или факторы, вызывающие повышенный беспорядок или свободный объем в полимерах, приводят к снижению теплопроводности, следовательно, к повышению теплоизоляции.

Также упоминалось выше, наличие кристалличности в полимерах приводит к улучшенной упаковке молекулы и, следовательно, к повышенной теплопроводности.

• Аморфные полимеры показывают увеличение теплопроводности с повышением температуры до температуры стеклования , Tg . Выше Tg теплопроводность уменьшается с повышением температуры


• Из-за увеличения плотности при затвердевании полукристаллических термопластов при затвердевании теплопроводность в твердом состоянии выше, чем в расплаве. Однако в расплавленном состоянии теплопроводность полукристаллических полимеров снижается до теплопроводности аморфных полимеров

Теплопроводность различных полимеров
(Источник: Polymer Processing by Tim A.Оссвальд, Хуан Пабло Эрнандес-Ортис)

Факторы, влияющие на теплоизоляцию

1. Органический пластик — очень хорошие изоляторы. Теплопроводность полимеров увеличивается с увеличением объемного содержания наполнителя (или содержания волокон до 20% по объему).
   1. Более высокая теплопроводность неорганических наполнителей увеличивает теплопроводность наполненных полимеров .
   2. Полимерные пены демонстрируют заметное снижение теплопроводности из-за включения в структуру газообразных наполнителей.Увеличение количества закрытых ячеек в пене сводит к минимуму теплопроводность за счет конвекции, дополнительно улучшая изоляционные свойства


2. Теплопроводность расплавов увеличивается с увеличением гидростатического давления.


3. Сжатие пластмасс оказывает противоположное влияние на теплоизоляцию, поскольку увеличивает плотность упаковки молекул


4. Другими факторами, влияющими на теплопроводность, являются плотность материала , влажность материала и температура окружающей среды.С увеличением плотности, влажности и температуры увеличивается и теплопроводность.

Найдите товарные марки, соответствующие вашим целевым тепловым свойствам, с помощью фильтра « Property Search — Thermal Conductivity » в базе данных Omnexus Plastics:

Значения теплоизоляции некоторых пластмасс

Нажмите, чтобы найти полимер, который вы ищете:
A-C | E-M | PA-PC | PE-PL | ПМ-ПП | PS-X

Название полимера	Мин. Значение (Вт / м.К)	Макс.значение (Вт / м · К)
ABS — Акрилонитрилбутадиенстирол	0,130	0,190
Огнестойкий ABS	0,173	0,175
АБС для высоких температур	0.200	0,400
АБС ударопрочный	0.200	0,400
Смесь АБС / ПК, 20% стекловолокна	0.140	0,150
ASA — Акрилонитрилстиролакрилат	0,170	0,170
Смесь ASA / PC — смесь акрилонитрил-стиролакрилата / поликарбоната	0,170	0,170
ASA / PC огнестойкий	0,170	0,700
CA — Ацетат целлюлозы	0,250	0,250
CAB — Бутират ацетата целлюлозы	0.250	0,250
CP — пропионат целлюлозы	0,190	0,190
ХПВХ — хлорированный поливинилхлорид	0,160	0,160
ECTFE	0,150	0,150
EVOH — Этиленвиниловый спирт	0,340	0,360
FEP — фторированный этиленпропилен	0.250	0,250
HDPE — полиэтилен высокой плотности	0,450	0,500
HIPS — ударопрочный полистирол	0,110	0,140
HIPS огнестойкий V0	0,120	0,120
Иономер (сополимер этилена и метилакрилата)	0,230	0,250
LCP — Жидкокристаллический полимер, армированный стекловолокном	0.270	0,320
LDPE — полиэтилен низкой плотности	0,320	0,350
ЛПЭНП — линейный полиэтилен низкой плотности	0,350	0,450
MABS (прозрачный акрилонитрилбутадиенстирол)	0,170	0,180
PA 11 — (Полиамид 11) 30% армированный стекловолокном	0,330	0,330
PA 11, токопроводящий	0.330	0,330
PA 11, гибкий	0,330	0,330
PA 11, жесткий	0,330	0,330
PA 12, гибкий	0,330	0,330
PA 12, жесткий	0,330	0,330
PA 46 — Полиамид 46	0,300	0,300
PA 6 — Полиамид 6	0.240	0,240
PA 6-10 — Полиамид 6-10	0,210	0,210
PA 66 — Полиамид 6-6	0,250	0,250
PA 66, 30% стекловолокно	0,280	0,280
PA 66, 30% Минеральное наполнение	0,380	0,380
PA 66, ударно-модифицированный, 15-30% стекловолокна	0.300	0,300
PA 66, модифицированный при ударе	0,240	0,450
PAI — полиамид-имид	0,240	0,540
PAI, 30% стекловолокно	0,360	0,360
PAI, низкое трение	0,520	0,520
PAR — Полиарилат	0,180	0,210
PARA (Полиариламид), 30-60% стекловолокна	0.300	0,400
PBT — полибутилентерефталат	0,210	0,210
PBT, 30% стекловолокно	0,240	0,240
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно	0,220	0,220
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно огнестойкое	0,210	0,390
PC — Поликарбонат, жаростойкий	0.210	0,210
PE — Полиэтилен 30% стекловолокно	0,300	0,390
PEEK — Полиэфирэфиркетон	0,250	0,250
PEEK, армированный 30% углеродным волокном	0,900	0,950
PEEK, армированный стекловолокном, 30%	0,430	0,430
PEI — Полиэфиримид	0.220	0,250
PEI, 30% армированный стекловолокном	0,230	0,260
PEKK (Полиэфиркетонекетон), с низкой степенью кристалличности	1,750	1,750
PESU — Полиэфирсульфон	0,170	0,190
ПЭТ — полиэтилентерефталат	0,290	0,290
ПЭТ, 30% армированный стекловолокном	0.330	0,330
PETG — полиэтилентерефталат гликоль	0,190	0,190
PFA — перфторалкокси	0,190	0,260
PI — Полиимид	0,100	0,350
PLA — полилактид	0,110	0,195
PMMA — Полиметилметакрилат / акрил	0.150	0,250
ПММА (акрил), жаростойкий	0,120	0,210
ПММА (акрил) ударно-модифицированный	0.200	0,220
ПОМ — Полиоксиметилен (Ацеталь)	0,310	0,370
ПОМ (Ацеталь) с низким коэффициентом трения	0,310	0,310
PP — полипропилен 10-20% стекловолокно	0.200	0,300
ПП, 10-40% минерального наполнителя	0,300	0,400
ПП, 10-40% талька с наполнителем	0,300	0,400
PP, 30-40% армированный стекловолокном	0,300	0,300
Сополимер PP (полипропилен)	0,150	0,210
Гомополимер PP (полипропилен)	0.150	0,210
ПП, модифицированный при ударе	0,150	0,210
PPE — Полифениленовый эфир	0,160	0,220
СИЗ, 30% армированные стекловолокном	0,280	0,280
СИЗ, огнестойкий	0,160	0,220
PPS — полифениленсульфид	0,290	0.320
PPS, армированный стекловолокном на 20-30%	0,300	0,300
PPS, армированный 40% стекловолокном	0,300	0,300
PPS, проводящий	0,300	0,400
PPS, стекловолокно и минеральное наполнение	0,600	0,600
ПС (полистирол) 30% стекловолокно	0,190	0.190
ПС (полистирол) Кристалл	0,160	0,160
PS, высокая температура	0,160	0,160
PSU — полисульфон	0,120	0,260
Блок питания, 30% армированный стекловолокном	0,300	0,300
PTFE — политетрафторэтилен	0,240	0,240
ПТФЭ, армированный стекловолокном на 25%	0.170	0,450
ПВХ, пластифицированный	0,160	0,160
ПВХ, пластифицированный наполнитель	0,160	0,160
ПВХ жесткий	0,160	0,160
ПВДХ — поливинилиденхлорид	0,160	0.200
PVDF — поливинилиденфторид	0,180	0.180
SAN — Стиролакрилонитрил	0,150	0,150
SAN, армированный стекловолокном на 20%	0.200	0,320
SMA — малеиновый ангидрид стирола	0,170	0,170

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Теплопроводность ппу: Почему важно знать коэффициент теплопроводности полиуретана и как это влияет на качество теплоизоляции?