Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Тепловые свойства пенопласта: Теплопроводность пенопласта – технические характеристики материала + Видео

Содержание

Теплопроводность пенопласта – технические характеристики материала + Видео

Пенополистирол сегодня производится сотнями предприятий в огромных объемах – 60 % материала потребляет строительная отрасль, а остальное используется для потребительских нужд, например, для создания уплотнителей при перевозке мебели или бытовой техники. Свойства пенопласта хорошо изучены – ознакомимся с ними поближе.

Основные тепловые и технические характеристики пенопласта

В качестве главных технических характеристик пенопласта следует выделить три:

  • теплопроводность материала;
  • водонепроницаемость;
  • устойчивость к химическим реакциям и бактериологическому воздействию.

Немногие догадываются, что пенопласт – это фактически воздух в застывшем состоянии. Исходного сырья – полимеризованного стирола – в плитах не более 2 %. Весь остальной объем занимает именно воздух, застывший в миллиардах крошечных ячеек, образованных вспененным стиролом. Именно воздух и обуславливает высочайшие тепловые и теплосберегающие свойства материала – теплопроводность воздуха одна из самых низких в природе и составляет всего 0,027 Вт/мК. Коэффициент теплопроводности гранул пенопласта немногим больше и равен 0,037 Вт/мК.

Для сравнения – всего 12 см толщины пенопласта по своим теплосберегающим свойствам способны заменить двухметровую кирпичную стену, полуметровую деревянную стену и железобетонную конструкцию, которая в толщине достигает свыше 4-х метров! В европейских странах в рамках экономии энергоносителей пенопласт нашел широчайшее применение в качестве утеплителя. Этим материалом можно утеплять не только стены, но и пол и потолок, его легко клеить на любые, в том числе и металлические поверхности. Ниже мы обсудим такой параметр, как теплоемкость, и узнаем, действительно ли он так важен в строительстве.

Важно понимать, что сам по себе пенопласт не сделает ваш дом теплее – он не нагревает помещение, его характеристики направлены строго на сохранение тепла. Благодаря ему вы перестанете отапливать улицу – дом без теплоизоляции отдает в атмосферу до 60 % тепла. Утепленный дом значительно легче обогреть, коэффициент экономии энергоресурсов повышается в разы.

Многие учитывают и такой показатель, как удельная теплоемкость гранул пенопласта, который равен 1,65 кДж/(кг*°К). Теплоемкость – это понятие редко упоминается при строительстве зданий и их утеплении. Обозначает оно скорость нагрева материала до определенной температуры и скорость его остывания. У кирпича теплоемкость в два раза меньше – он быстрее нагревается и быстрее стынет. Так что теплоемкость утеплителя также не подкачала.

Вторая важная характеристика материала – водонепроницаемость. Пенополистирол совершенно не гигроскопичен – сами гранулы стирола не впитывают влагу, не разбухают при контакте и не растворяются. Однако вода может проникнуть между гранулами, но ее количество даже при постоянном контакте будет не более 3 % от весового объема плиты. Впрочем, влага не задерживается на поверхности плит и испаряется при первом же повышении температуры. Важно то, что в процессе сам материал не теряет своих качеств и размеров. Пар, как и вода, также легко проникает сквозь пенопласт, разрушая все мифы о якобы его паронепроницаемости. Во всех марках этого утеплителя коэффициент паропроницаемости равен 0,05 мг/(м.ч. Па).

Устойчивость к химическим реакциям и бактериологическому воздействию – вспененный полистирол не является пищей для бактерий, не создает благоприятную среду для развития колоний грибков или водорослей и не потребляется в пищу животными. Существует мнение, что пенопласт любят грызуны – они якобы прогрызают в нем норы и живут в них. Но стоит заметить, что грызуны способны прогрызть и кирпичные стены, если за ними есть пища. Появились в доме мыши или крысы – ищите рядом свалку мусора, а не вините пенопласт.

Пенополистирол устойчив к воздействию щелочей, отбеливающих веществ, солевых растворов и даже неконцентрированных кислот, которые входят в ряд строительных материалов. Пенопласт можно без опаски штукатурить или красить, а также мыть мыльными растворами.

Второстепенные свойства пенопласта – используем с умом

Пенополистирол, помимо низкой теплопроводности, обладает еще одним замечательным качеством, которое широко используется в бытовом строительстве. Коэффициент звукопоглощения материала достигает от 0,18 до 0,58 при разных частотах звуковых колебаний. Поскольку пенопласт – это пористый материал с миллиардами ячеек, заполненных воздухом, звуковые волны, проходя сквозь этот материал, рассеиваются и теряют свою силу. Фактически звуковая энергия преобразовывается в тепловую.

Для обеспечения звукоизоляции достаточно слоя материала толщиной всего в несколько сантиметров. Так что утепляя квартиру изнутри, вы защищаете свой дом от соседского шума. Однако стоит помнить, что наиболее оптимальная звукоизоляция достигается только путем применения нескольких материалов с разными свойствами. Прочность – еще одна характеристика, о которой стоит упомянуть.

Материал неустойчив к точечным механическим повреждениям, однако имеет достаточно высокую прочность на изгиб и сжатие. Именно благодаря этому качеству возможно использование материала в процессе утепления пола.

Пенопласт – материал весьма долговечный при определенных условиях. Обеспечить их достаточно просто – нужно лишь изолировать пенополистирол от воздействия прямых солнечных лучей. Именно ультрафиолет способен ускорить процесс разложения гранул. Поэтому материал при наружном утеплении следует в обязательном порядке покрывать слоем защитной штукатурки.

Предел температур для пенополистирола в нижней границе составляет -1800 °С, а в верхней +800 °С. Пенопласт может также выдержать непродолжительное влияние (несколько минут) +950 °С. Синтетическое происхождение материала делает его неуязвимым для процессов гниения. Как утверждают многие производители, при обеспечении оптимальных условий пенополистирол может прослужить от 25 до 50 лет.

Пожароустойчивость – существует миф, что пенопласт является горючим материалом. При этом авторы этого мифа (в основном – производители конкурирующих утеплителей) забывают сказать, что температура самовоспламенения у пенополистирола достигает +4910 °С, что практически в два раза выше, чем у древесины. Более того, пенопласт не поддерживает горения и при отсутствии иного источника огня затухает в течение нескольких секунд – оплавленные слои попросту не дают более глубоким гореть. Если же вы действительно переживаете о пожаробезопасности вашего дома, то советуем в таком случае приобретать плиты, содержащие антипирены.

Опасен ли пенопласт – мифы и правда

Противники пенопласта заявляют – этот материал очень вреден, ведь в его основе находится стирол, продукт нефтепереработки, который является сильнейшим токсичным ядом. Кроме того, при его горении выделяются кислоты, которые также способны навредить нашему здоровью. Давайте подумаем – получается, дым от горения древесины абсолютно безопасен и им можно дышать? Нет, конечно же – продукт горения любого материала в той или иной степени опасен для нашего здоровья. Вот только пенопласт горит лишь при наличии источника огня и способен самозатухать, чего о древесине не скажешь.

Второй момент – количество стирола в изделиях. Современные производители научились снижать его содержания вплоть до 0,01 %. В среднем на рынке качественных материалов этот показатель не превышает 0,2 %. Учитывая то, что слой утепления из пенопласта прячется под штукатуркой или шпаклевкой, фактор выделения в воздух вредных веществ снижается в десятки раз. Навредить здоровью пенопласт может разве что в тех случаях, когда вы будете есть его на завтрак, обед и ужин. Но учитывая его несъедобность, и этот момент исключен. Факт безопасности пенополистирола доказывает и его всеобщее признание в странах Европы и на Западе, где очень высокие требования к безопасности материалов.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Теплопроводность пенопласта, сравнение с Пеноплексом, цена листов разных марок

Эффективность – первое, что мы ищем, выбирая утеплитель. Разнообразные материалы изначально оцениваются именно по этому критерию, и только потом в дело вступают другие характеристики, особенность монтажа и стоимость. Сегодня мы рассмотрим теплопроводность пенопласта как самого доступного по цене и потому востребованного, а также сравним его с иными видами изоляции.

Оглавление:

  1. Что такое теплопроводность?
  2. Характеристики пенопласта разных марок
  3. Сравнение с другими материалами и расценки

Определение

Теплопроводность – величина, обозначающая количество тепла (энергии), проходящего за час сквозь 1 м любого тела при определенной разнице температур с одной и другой его стороны. Она измеряется и рассчитывается для нескольких исходных условий эксплуатации:

  • При 25±5 °С – это стандартный показатель, закрепленный в ГОСТах и СНиП.
  • «А» – так обозначается сухой и нормальный режим влажности в помещениях.
  • «Б» – в эту категорию относят все прочие условия.

Собственно теплопроводность гранул пенопласта, спрессованных в легкую плиту, не так важна сама по себе, как в связке с толщиной утеплителя. Ведь основная цель – добиться оптимального уровня сопротивления всех слоев стены в соответствии с требованиями для конкретного региона. Для получения первоначальных цифр достаточно будет воспользоваться самой простой формулой: R = p÷k.

  • Сопротивление теплопередаче R можно найти в специальных таблицах СНиП 23-02-2003, к примеру, для Москвы принимают 3,16 м·°С/Вт. И если основная стена по своим характеристикам недотягивает до этого значения, разницу должен перекрыть именно утеплитель (минвата или тот же пенопласт).
  • Показатель р – обозначает искомую толщину изолирующего слоя, выраженную в метрах.
  • Коэффициент k – как раз и дает представление о проводимости тел, на которую мы ориентируемся при выборе.

Теплопроводность самого материала проверяют с помощью нагрева одной стороны листа и измерения количества энергии, переданной методом кондукции на противоположную поверхность в единицу времени.

Показатели для разных марок пенополистирола

Из приведенной упрощенной формулы можно заключить, что чем тоньше лист утеплителя, тем меньшей эффективностью он обладает. Но кроме обычных геометрических параметров на конечный результат оказывает влияние и плотность пенопласта, хоть и незначительно – всего в пределах 1-5 тысячных долей. Для сравнения возьмем две близкие по марке плиты:

  • ПСБ-С 25 проводит 0,039 Вт/м·°С.
  • ПСБ-С 35 при большей плотности – 0,037 Вт/м·°С.

А вот с изменением толщины разница становится куда более заметной. К примеру, у самых тонких листов в 40 мм при плотности 25 кг/м3 показатель теплопроводности может составлять 0,136 Вт/м·°С, а 100 мм того же пенополистирола пропускают всего 0,035 Вт/м·°С.

Зависимость нелинейная, что связано с особенностью кондуктивной передачи. Но поскольку коэффициент высчитывается в единицу времени, а плотность материала остается неизменной, разница температур с внешней поверхностью при «продвижении» энергии сквозь плиту становится все меньше. И если толщина пенополистирола оказывается значительной, тепло просто не успевает передаться обратной стороне, что, в общем-то, и требуется от хорошей изоляции.

Сравнение с другими материалами

Средняя теплопроводность ПСБ лежит в пределах 0,037-0,043 Вт/м·°С, на него и будем ориентироваться. Здесь пенопласт в сравнении с минватой из базальтовых волокон, кажется, выигрывает незначительно – у нее примерно те же показатели. Правда, при вдвое большей толщине (95-100 мм против 50 мм у полистирола). Также принято сопоставлять проводимость утеплителей с различными стройматериалами, необходимыми для возведения стен. Хотя это и не слишком корректно, но весьма наглядно:

1. Красный керамический кирпич имеет коэффициент теплопередачи 0,7 Вт/м·°С (в 16-19 раз больше, чем у пенопласта). Проще говоря, чтобы заменить 50 мм утеплителя понадобится кладка толщиной около 80-85 см. Силикатного и вовсе нужно не меньше метра.

2. Массив дерева в сравнении с кирпичом в этом плане получше – здесь всего 0,12 Вт/м·°С, то есть втрое выше, чем у пенополистирола. В зависимости от качества леса и способа возведения стен, эквивалентом ПСБ толщиной 5 см может стать сруб шириной до 23 см.

Куда логичнее сравнивать стиролы не с минватой, кирпичом или деревом, а рассматривать более близкие материалы – пенопласт и Пеноплекс. Оба они относятся к вспененным полистиролам и даже изготавливаются из одних и тех же гранул. Вот только разница в технологии их «склеивания» дает неожиданные результаты. Причина в том, что шарики стирола для производства Пеноплекса с введением порообразователей одновременно обрабатываются давлением и высокой температурой. В итоге пластичная масса приобретает большую однородность и прочность, а пузырьки воздуха равномерно распределяются в теле плиты. Пенопласт же просто обдается паром в форме, как поп-корн, поэтому связи между вспученными гранулами оказываются слабее.

Как следствие, теплопроводность Пеноплекса – экструдированного «родственника» ПСБ – тоже заметно улучшается. Она соответствует показателям 0,028-0,034 Вт/м·°С, то есть 30 мм хватит, чтобы заменить 40 мм пенопласта. Однако сложность производства увеличивает и стоимость ЭППС, так что на экономию рассчитывать не стоит. Кстати, здесь есть один любопытный нюанс: обычно экструдированный пенополистирол немного теряет в эффективности при увеличении плотности. Но при введении в состав Пеноплекса графита эта зависимость практически исчезает.

Впрочем, если вопрос высокой прочности на повестке дня не стоит, и вам нужен просто хороший утеплитель, проще и дешевле действительно купить пенопласт. В сравнении с такими материалами, как минвата, дерево и керамический кирпич, он безусловно хорош. Главное – не использовать его на пожароопасных объектах и всегда стараться выполнять теплоизоляцию снаружи зданий.

Цены на листы пенопласта 1000х1000 мм (рубли):

Толщина листа, мм ПСБ-С 15 ПСБ-С 25 ПСБ-С 35 ПСБ-С 50
20 37 61 82 124
30 55 95 123 185
40 73 122 164 247
50 91 152 205 308
70 127 213 264 431
80 145 243 328 493
100 181 304 409 616

Теплопроводность пенопласта

Основной характеристикой, благодаря которой пенополистирол получил широкое признание в качестве материала для утепления №1, является сверхнизкая теплопроводность пенопласта. Относительно небольшая прочность материала с лихвой компенсируется такими преимуществами, как стойкость к воздействию большинства агрессивных соединений, небольшой вес, нетоксичность и безопасность при работе. Хорошие теплоизолирующие свойства пенопласта дают возможность обустроить утепление дома по относительно небольшой цене, при этом долговечность такого утепления рассчитана на срок не менее 25 лет службы.

Что нужно знать о теплопроводности пенопласта

Способность материала к теплопередаче, проводить или задерживать тепловые потоки принято оценивать коэффициентом теплопроводности. Если посмотреть на его размерность – Вт/м∙Со, то становится понятным, что это величина удельная, то есть определенная для следующих условий:

  • Отсутствие влаги на поверхности плиты, то есть коэффициент теплопроводности пенопласта из справочника — это величина, определенная в идеально сухих условиях, которых в природе практически не существует, разве что в пустыне или в Антарктиде;
  • Значение коэффициента теплопроводности приведено к толщине пенопласта в 1 метр, что очень удобно для теории, но как-то не впечатляет для практических расчетов;
  • Результаты измерения теплопроводности и теплопередачи выполнены для нормальных условий при температуре 20оС.

Согласно упрощенной методике, при расчетах термического сопротивления слоя пенопластового утеплителя нужно умножить толщину материала на коэффициент теплопроводности, затем умножить или разделить на несколько коэффициентов, используемых для того, чтобы учесть реальные условия работы теплоизоляции. Например, сильное обводнение материала, или наличие мостиков холода, или способ монтажа на стены здания.

Насколько теплопроводность пенопласта отличается от других материалов, можно увидеть в приведенной ниже сравнительной таблице.

На самом деле не все так просто. Для определения значения теплопроводности можно составить своими руками или использовать готовую программу для расчета параметров утепления. Для небольшого объекта обычно так и поступают. Частник или самозастройщик может вообще не интересоваться теплопроводностью стен, а уложить утепление из пенопластового материала с запасом в 50 мм, что будет вполне достаточно для самых суровых зим.

Большие строительные компании, выполняющие утепление стен на площади десятков тысяч квадратов, предпочитают поступать более прагматично. Выполненный расчет толщины утепления используется для составления сметы, а реальные значения теплопроводности получают на натурном объекте. Для этого наклеивают на участок стены несколько различных по толщине листов пенопласта и измеряют реальное термосопротивление утеплителя. В результате удается рассчитать оптимальную толщину пенопласта с точностью до нескольких миллиметров, вместо приблизительных 100 мм утеплителя можно уложить точное значение 80 мм и сэкономить немалую сумму средств.

Насколько выгодно использование пенопласта в сравнении с типовыми материалами, можно оценить из приведенной ниже диаграммы.

От чего зависит теплопроводность пенопласта

Величина теплопроводности пенопласта, как и любого другого материала, зависит от трех основных составляющих:

  1. температуры воздуха;
  2. плотности пенопластовой плиты;
  3. уровня влажности среды, в которой используется утеплитель.

Как видно из схемы, при низких температурах воздуха градиент по толщине стенки линейно меняется от отрицательных значений на наружной поверхности облицовки до +20оС внутри помещения. Необходимо так подобрать теплопроводность и толщину материала, чтобы точка росы или, другими словами, температура, при которой начинают конденсироваться пары воды, находилась внутри массива пенопласта.

Влияние плотности и влажности окружающей среды

Несмотря на все заверения производителей, пенопласт способен поглощать и проводить водяные пары, для сравнения, величина паропроницаемости для пенопластового листа всего лишь на 20% ниже проницаемости древесины. Естественно, наличие водяных паров в толще пенопласта существенным образом влияет на его теплопроводность. Найти зависимость в справочниках практически невозможно, поэтому при расчетах делают эмпирическую поправку на теплопроводность, исходя из толщины теплоизоляции.

Пенопласт способен поглощать в поверхностных слоях до 3% воды. Глубина поглощения составляет 2 мм, поэтому при определении теплопроводности материала эти миллиметры выбрасывают из эффективной толщины теплоизоляции. Поэтому лист пенопласта толщиной в 10 мм будет в сравнении с листом в 50 мм иметь теплопроводность не в 5 раз больше, а в 7 крат. При значительной толщине пенопласта, более 80 мм, теплосопротивление увеличивается значительно быстрее, чем его толщина.

Вторым фактором, влияющим на теплопроводность, является плотность материала. При одинаковой толщине материал разных марок может иметь плотность в два раза больше. Принято считать, что 98% структуры утеплителя составляет высушенный воздух. С увеличением вдвое количества полистирола в плите, естественно, теплопроводность также увеличивается, примерно на 3%.

Но дело даже не в количестве полистирола, меняется размер шариков и ячеек, из которых состоит пенопласт, образуются локальные участки с очень высокой теплопроводностью, или мостики холода. Особенно это касается трещин и стыков, любых зон деформации и установки креплений. Поэтому при установке зонтичных дюбелей количество креплений рекомендуют ограничивать 3 точками.

Влияние химического состава на теплопроводность

Мало кто обращает внимание на особые свойства пенопласта. Сегодня наиболее серьезной проблемой пенопласта считается его способность к воспламенению и выделению токсичных продуктов сгорания. СНиП и ГОСТ требуют, чтобы пенопласт, используемый для утепления жилых зданий, имел время самозатухания не более 4 с. Для этого используются соли ряда цветных металлов, таких как хром, никель, железо, включение в состав веществ, выделяющих углекислый газ при нагревании.

В результате на практике пенопласт с индексом «С» — самозатухающий имеет теплопроводность значительно выше, чем обычные марки пенополистирола. Практика использования пенополистирола для утепления в Евросоюзе показала, что более выгодным и дешевым является нанесение на внешнюю поверхность немодифицированного пенопласта специального покрытия из газообразующих агентов. Такое решение позволяет сохранить теплосберегающие свойства и экологичность материала, одновременно значительно повысить пожаробезопасность.

Заключение

Теплопроводность пенопласта практически не меняется с течением времени, как, например, у минеральной ваты или газосиликатных блоков. Единственной проблемой является деградация пенополистирола под действием солнечных лучей и рассеянного ультрафиолета. При длительном облучении материал становится рыхлым, покрывается трещинами и легко наполняется конденсатом, поэтому для сохранения первоначального значения теплопроводности необходимо закрывать утеплитель облицовкой.

Теплопроводность пенопласта разных марок: какие факторы оказывают влияние

При выборе утеплителя в первую очередь обращают внимание на такую характеристику, как теплопроводность, напрямую зависящую от процентного содержания воздуха в его структуре. Среди доступных покупателям вариантов лидирует пенопласт, так как эта величина для него достигает 98 %. Оставшиеся 2 % — тончайшие стенки пенополистирольных герметичных ячеек, с диаметром от 2 до 8 мм. Такая уникальная особенность строения делает пенопласт превосходным теплоизолятором, выигрывающим по толщине, в сравнении с другими стройматериалами: кирпичом, минватой, штукатуркой.

Оглавление:

  1. От чего зависит величина показателя?
  2. Выбор вида, исходя из области эксплуатации
  3. Значения коэффициентов теплопроводности разных марок

Значение теплопроводности

Эта характеристика представляет собой перенос тепловой энергии от нагретого участка к холодному. В численном выражении количество переданной теплоты определенного слоя материала в единицу времени представлено коэффициентом теплопроводности. Чем ниже его значение, тем выше теплоизоляционные свойства утеплителя, для пенопласта эта величина в среднем составляет 0,033–0,037 Вт/м∙К. Для сравнения: у кирпича — 0,56, у минваты — 0,045, при этом распределение воздуха внутри пенополистирола более равномерное, благодаря уникальной ячеистой структуре. В отличие от волоконных, он сохраняет форму даже после долгой эксплуатации и практически негигроскопичен, что позволяет использовать утеплитель для фасадов и фундаментов (при условии наличия защиты от внешних повреждений). Кроме того, термоизолирующие свойства пенополистирола не зависят от температуры окружающей среды.

Распространенная ошибка — связывание значения теплопроводности пенопласта с такой характеристикой, как плотность. На первый показатель влияют многие факторы:

  • Толщина. Зачастую для улучшения энергосберегающих свойств приходится выбирать более толстую теплоизоляцию.
  • Структура. Пористые (ячеистые) разновидности имеют преимущество перед остальными.
  • Влажность. Пенополистирол выдерживает кратное погружение в воду (ему присуще минимальное водопоглощение), но хранить в сыром месте в течение длительного срока недопустимо.
  • Средняя температура эксплуатации (ее рост приводит к ухудшению характеристики).

Подобрать самый эффективный утеплитель можно, просчитав общее теплосопротивление конструкции. Расчет ведется с учетом климатических условий, требуемых мероприятий по защите от скапливания влаги и целевого назначения строительного объекта.

Сфера применения

Современные виды экструдированного полистирола, в частности — марки с высокой плотностью (ПСБ-С-35, ПСБ-С-50) с минимальной теплопроводностью 0,033 Вт/м∙К, обычно используются внутри помещений: для защиты кровли, стен, подвалов, потолков и перекрытий. Они незаменимы в качестве теплоизоляции в системе «теплый пол» (толщина слоя при этом редко превышает 5 см). Виды со средним значением коэффициента (0,037 Вт/м∙К, например — ПСБ-С-25) стоят дешевле и предназначены для утепления наружных фасадов.

При необходимости толстые плиты пенопласта выбираются в качестве ветрозащиты стен. Изделия марки ПСБ-С-15, с теплопроводностью 0,042 Вт/м∙К, используются в декоративных целях: как прилегающие конструкции для обрамления углов, карнизов, колонн. Толщину слоя можно изменять (материал легко поддается обрезке), но это приводит к трудностям при финишной обработке.

Таблица теплопроводности пенополистирола

Показатель обычных видов зависит от плотности изделий, но разница значений варьируется в пределах процентных долей:

Плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К
10 0,044
15 0,038
20 0,035
25 0,034
30 0,033
35 0,032

Для высококачественного экструдированного пенополистирола с графитовыми добавками (улучшенный вид) величина теплопроводности почти неизменна:

Марка пенополистирола, EPS Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К
50 0,031–0,032
70 0,033–0,032
80 0,031
100 0,030–0,033
120 0,031
150 0,030–0,031
200 0,031

Средняя плотность при этом составляет 45 кг/м3. Экструдированные виды выигрывают по толщине, в сравнении с другими утеплителями. Слой в 2 см сохраняет столько же тепла, как минвата в 5 см или кладка из кирпича в 40. Для обычного пенопласта эта величина чуть больше — 3 см.

 

Теплопроводность пенопласта — точные данные

Пенопласт имеет следующие преимущества перед другими утеплительными материалами: экологичность, лёгкость, гигроскопичность, невысокая стоимость. Однако, главное достоинство — низкая теплопроводность пенопласта, которая делает его одним из наиболее распространенных теплоизолирующих материалов.

Общее описание

Пенопласт представляет собой плиты различной толщины, состоящие из вспененного материала – полимера. Теплопроводность пенопласта обеспечивается воздухом, из которого он состоит на 95-98%, т.е. газа, который не пропускает тепло.

Так как пенопласт в своей основе состоит из воздуха, то он имеет крайне низкую плотность, и, соответственно, малый удельный вес. Также пенопласт обладает очень хорошей звукоизоляцией (тонкие перегородки ячеек, заполненные воздухом – очень плохой проводник звуков).

В зависимости от исходного сырья (полимера) и процессов изготовления, можно производить пенопласт разной плотности, устойчивости к воздействию механических факторов, устойчивости к иным видам воздействия. В связи с вышеперечисленным, обусловливается выбор определенного вида пенопласта и его применение.

Характеристики теплопроводности пенопласта

Для того чтобы рассмотреть такую характеристику, как теплопроводность пенопласта, разберемся для начала, что из себя представляет в принципе теплопроводность материалов. Теплопроводностью называют количественную характеристику способности тела проводить тепло.

Это количество тепловой энергии (Ватт), которое любой материал способен провести через себя (метр), при определенной температуре (С) за определенное время. Обозначается — λ и выражается Вт/м•С.

Определим оптимальные размеры данного утеплителя исходя из его теплопроводных характеристик. На рынке стройматериалов большое множество различных утеплителей. Пенопласт, как мы уже знаем, обладает теплопроводностью очень низкой, но эта величина зависит от марки материала.

Например, пенопласт марки ПСБ-С 50 имеет плотность 50 кг/м3. Таким образом, его теплопроводность составляет 0,041 Вт/м•С (данные указаны при 20-30 С). Для пенопласта марки ПСБ-С 25 значение будет 0,041 Вт/м•С, а марки ПСБ-С 35 – 0,038 Вт/м•С. Приведенные величины коэффициентов теплопроводности указаны для пенопласта одинаковой толщины.

Наиболее заметна теплопроводность пенопласта при сопоставлении значений с другими теплоизоляционными материалами. К примеру, лист пенопласта 30-40 мм аналогичен объёму минваты в несколько раз большей, а толщина листа 150 мм заменяет 185 мм пенополистирола. Конечно, есть материалы, у которых коэффициент ниже. К таким относится и пеноплекс. 30 мм пеноплекса смогут заменить 40 мм пенопласта, при аналогичных условиях.

Какие листы выбрать?

Чтобы добиться наиболее эффективной теплоизоляции стены, необходимо правильно рассчитать толщину используемого утеплителя. Для примера рассчитаем, какой толщины нужен утеплитель для стены толщиной в один кирпич.

Сначала необходимо узнать общее теплосопротивление. Это постоянное значение, зависящее от климатических условий в определенной области страны. На юге России она составляет 2,8 кВт/м2, для полосы умеренного климата — 4,2 кВт/м2. Затем найдем теплосопротивление кирпичной кладки: R = p/k, где p – толщина стены, а k – коэффициент, указывающий, насколько сильно стена проводит тепло.

Имея начальные данные, мы можем узнать, какое теплосопротивление утеплителя необходимо использовать, применив формулу p=R*k. где R — общее теплосопротивление, а k — значение теплопроводности утеплителя.

Возьмем для примера пенопласт марки ПСБ-С 35, имеющий плотность 35 кг/м3 для стены, толщиной в один кирпич (0,25 м) в регионе средней полосы России. Общее теплосопротивление имеет значение 4,2 кВт/м2.

Для начала необходимо узнать теплосопротивление нашей стены (R1). Коэффициент для силикатного пустотного кирпича составляет 0,76 Вт/м•С (k1), толщина – 0,25 м (p1). Находим теплосопротивление:

R1 = p1 / k1 = 0,25 / 0,76 = 0,32 (кВт/м2).

Теперь находим теплосопротивление для утеплителя (R2):

R2 = R – R1 = 4.2 – 0,32 = 3,88 (кВт/м2)

Значение теплосопротивления пенопласта ПСБ-С 35 (k2) равен 0,038 Вт/м•С. Находим требуемую толщину пенопласта (p2):

p2 = R2*k2 = 3.88*0.038 = 0.15 м.

Вывод: при заданных условиях нам необходим пенопласт ПСБ-С 35 15 см.

Аналогичным способом можно сделать расчеты для любого материала, используемого в качестве утеплителя. Коэффициенты теплопроводности разных строительных материалов можно найти в специальной литературе или в сети Интернет.

Пенопласт толщиной 2 см: теплопроводность и плотность

На современном рынке строительных материалов представлен широчайший выбор различных утеплителей, применение каждого из них обусловлено определенными требованиями в зависимости от назначения здания, условий эксплуатации и климата в данном регионе. Большинству требований, предъявляемых к утеплителям, соответствует пенопласт, который прочно занимает одну из лидирующих позиций на рынке нашей страны.

Сравнение теплопроводности пенопласта с другими утеплителями.

Преимущества материала

Пенопласт или пенополистирол представляет собой массив из спаянных между собой газонаполненных гранул полистирола, предварительно вспененных и отформованных беспрессовым методом. Материал изготавливается разной плотности, она зависит от размера и количества гранул в 1 м³. Если гранулы крупные, их количество на единицу объема будет меньше, а плотность материала ниже и наоборот, большое количество маленьких гранул придает ему высокую плотность и уменьшает теплопроводность. Пенопласт имеет ряд преимуществ, который и делает этот утеплитель таким популярным:

Таблица характеристик пенопластов различных марок.

  1. Превосходные теплоизоляционные показатели одни из самых высоких. Более высокие теплоизоляционные свойства имеет только пенополиуретан, но стоимость его гораздо выше.
  2. Небольшой вес упрощает процесс доставки и монтажа.
  3. Пенополистирол практически не впитывает влагу.
  4. Современный пенопласт экологичен.
  5. Не поддерживает горение, при воздействии высоких температур материал просто разрушается без воспламенения.
  6. Изделия из пенополистирола обладают прочностью и жесткостью.
  7. Материал один из самых доступных по цене.

Из недостатков этого утеплителя можно выделить два существенных: он не может быть использован при высоких противопожарных требованиях к зданию или помещению, поскольку при пожаре разрушится. Второй недостаток заключается в том, что пенополистирол грызут мыши. Они это делают с целью обустроить себе теплое гнездо, а не ради пропитания, что еще раз доказывает экологичность материала, в базальтовой вате мыши гнезд не делают.

Вернуться к оглавлению

Свойства и параметры утеплителя

Схема применения различных марок пенопласта.

Теплопроводность — это передача тепловой энергии от одной части материала, которая имеет более высокую температуру, к другой части, с меньшей температурой. То есть, простыми словами, это способность материала проводить тепловую энергию. Выражается этот параметр в единицах Вт/(м*К) и называется коэффициентом теплопередачи.

Расшифровка единицы измерения теплопередачи следующая: это количество тепловой энергии в Вт, которую способен передать материал толщиной 1 м на площади в 1 м² при перепаде температур 1 °(Кельвин) за определенную единицу времени. Коэффициент теплопередачи уменьшается по мере того, как повышается плотность материала, то есть чем выше плотность, тем лучше его теплоизоляционные свойства. Значения характеристик при различной плотности представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Плотность,кг / м³ 10 15 20 25 30 35
Коэффициенттеплопередачи,Вт/(м . К) 0.044 0.038 0.035 0.034 0.033 0.032

Величина теплопроводности является ключевой для расчета общего сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций здания (стен, кровли, перекрытий). Последнее обозначается латинской буквой R, единица выражается в м² К / Вт и показывает, сколько тепла в Вт проходит через 1 м² площади стены или кровли заданной толщины за единицу времени при перепаде температур 1°К. Этот параметр зависит от материала стены и ее толщины, это видно из формулы:

R = δ / k

Схема утепления стен пенопластом.

Здесь δ — толщина стены в метрах, k — коэффициент теплопроводности. Для примера можно показать сколько тепла теряет 1 м² пенополистирола толщиной 1 сантиметр плотностью 10 кг / м³ за единицу времени при перепаде температур 1°К:

R = 0,01 / 0,044 = 0,227 м² К / Вт.

Данный параметр нормируется, он не может быть меньше того, что прописан в нормативной документации для каждого региона. Учитывая разницу климатических условий на просторах нашей страны и длительность отопительного сезона, минимальное нормируемое сопротивление теплопередаче наружных стен для южных регионов составляет 1,8 м² К / Вт, средней полосы — 3 м² К / Вт, а северных — 4,8 м² К / Вт. Значения R для пенопласта разной плотности и различной толщины отражены в таблице 2.

Таблица 2

СопротивлениетеплопередачеR, м²К / Вт Плотность 10 кг / м³ Плотность 15 кг / м³ Плотность 20 кг / м³ Плотность 25 кг / м³ Плотность 30 кг / м³ Плотность 35 кг / м³
Толщина 2 см 0.45 0.53 0.57 0.59 0.61 0.63
Толщина 5 см 1.14 1.32 1.43 1.47 1.52 1.56
Толщина 10 см 2.27 2.63 2.86 2.94 3.03 3.13

Из таблицы 2 хорошо видно, что пенопласт толщиной 100 мм может полностью заменить другие строительные материалы стен в южных и средних регионах, так как такая конструкция соответствует современным требованиям нормативной документации (СНиП 23-02-2003). Материал толщиной 5 см и 2 см может применяться для дополнительного утепления существующих зданий из кирпича или бетона, так как ограждающие конструкции этих зданий не соответствуют современным требованиям по энергосбережению. При этом утеплитель толщиной 2 см зачастую целесообразно использовать для отделки стен изнутри помещения, это дешевле, чем выполнять наружные работы, и не отнимет много места от пространства комнаты.

Вернуться к оглавлению

Подбор плотности и толщины материала для дома

Значение представленных расчетов следующее: зная температуру воздуха снаружи и желаемую температуру внутри помещения, можно на практике подобрать пенопласт необходимой толщины и плотности, чтобы успешно утеплить свой дом и при этом не переплатить за материалы.

http://ostroymaterialah.ru/www.youtube.com/watch?v=wQ9nUUUPMFs

Для этого следует воспользоваться формулой:

Q = (1/R) х S х (tв — tн)

В этой формуле:

  • Q — количество тепла в Вт, которое будет теряться стеной;
  • R — сопротивление теплопередаче выбранного вида утеплителя;
  • S — площадь стены в кв.м;
  • tв и tн — температура внутреннего и наружного воздуха соответственно.

Подобрав толщину и плотность пенопласта, с помощью коэффициента теплопередачи высчитывается значение R, вставляется в приведенную формулу и в результате станет известно, сколько тепла будет терять вся стена здания из пенопласта. Однако требуется учесть и существующий материал стены, кирпич или бетон, ведь он тоже задерживает тепло. Для этого по тем же формулам нужно посчитать количество тепла, уходящего через существующую кирпичную, бетонную или деревянную стену. Значения теплопроводности некоторых материалов для расчета показаны в таблице 3.

Таблица 3

Материал стены Кирпичная кладка Шлако блок Керамзи тобетон Дерево (сосна) Газобетон
Коэффициенттеплопередачи,Вт/(м*К) 0.41 0.34 0.14 0.09 0.1

http://ostroymaterialah.ru/www.youtube.com/watch?v=26LNUWcmIvg

Теплоизоляционные показатели традиционных материалов достаточно низкие, расчет покажет большие потери тепла, вот почему требуется доработка таких стен изделиями из полистирола. Полученные результаты просчета по пенопласту и существующей стене складываются. Дальше такой же расчет нужно произвести по всем стенам, суммировать результаты и сопоставить с мощностью системы отопления.

Если выяснится, что можно без ущерба для экономии уменьшить толщину утепляющего пенополистирола или его плотность, нужно пересчитать потери тепла еще раз с учетом новых параметров.

После чего смело приобретать материал.

Что лучше пеноплекс или пенопласт? Что теплее?

Содержание   

В современном строительстве используется огромное количество утеплительных материалов (особая популярность у теплоизоляции Baswool). Производят их как из искусственных веществ, так и из природных составляющих.

По части создания утеплителей из искусственных веществ отдельно отличились ученые из Германии. Именно они изобрели современный пенопласт, а также его разновидность – пеноплекс. Вот только многих людей интересует вопрос, какая же разница между этими материалами, и какой из них лучше.

Пенополистирольные плиты разной толщины

В этот статье мы дадим вам ответы на все интересующие вас вопросы по этой теме.

1 Общая информация

Итак, прежде чем приступить непосредственно к сравнению процесса утепления теми или иными материалами, разберемся в том, что они вообще собой представляют.

А структура у пенопласта очень интересная. Дело в том, что это полностью искусственный материал. Производят его из полимерных наполнителей, которые вступают в реакцию с заполняющими их газами, а также специальными образователями пены.

Те в свою очередь, провоцируют постоянное появление мелких пузырей, что насыщаются газом и увеличиваются в размерах.

В итоге на выходе мы получаем полистирольные шарики классического типа. Такие шарики хоть раз в своей жизни, но видел каждый. Они мягкие, практически невесомые, не вбирают воду и используются практически повсеместно.

Из шариков диаметром 3-5 мм собирают плиты для утепления строительных конструкций. Их плотно запрессовывают или переплавляют, чтобы образовать материал нужной консистенции.

Пеноплекс с дюбелями для теплоизоляции с пластиковым гвоздем же является разновидностью пенопласта, хотя его характеристики во многом превышают аналогичные у пенополистирола. Сам по себе пеноплекс – это экструдированный пенополистирол. То есть пенопласт, который прошел процесс переплавки или экструдирования.

Для получения экструдированных образцов пенопласт загружают в экструдер, специальную печь высокого давления. Там сырье переплавляется, уменьшаясь в размерах и наплывая в заготовку.

На выходе получается тот же пенопласт, но уже в виде застывшей пены (по своей структуре он напоминает монтажную пену, только ячейки воздуха в нем еще меньше, они практически неразличимы).

Пример структуры пеноплекса, поры в нем практически не различить

Пеноплекс как и блоки из пеностекла очень прочен и устойчив. Это, наверное, и есть главная разница между ним и пенопластом. Вернее, самый заметный момент, если взглянуть на общие характеристики.

к меню ↑

1.1 Основные свойства пенопласта

Пенопласт, как мы уже говорили, является искусственным материалом из полимеров. А это значит, что он не боится воды, влаги, ему не страшна коррозия или разрушение от внешних факторов.

Все эти факторы, что признаться, очень часто разрушают утеплители другого плана, на пенопласт не влияют совершенно.

Более того, если сравнить пенополистирол и минеральную вату (что до сих пор считается одним из самых практичных и эффективных утеплителей) то можно увидеть, что пенопласт ей практически ни в чем не уступает.

Да, утепление с его помощью будет чуть менее надежным, ведь у него меньше плотность, да и коэффициент теплопроводности немного ниже. Но разница там настолько мелкая, что теплее в доме от использования минваты не станет.

Некоторым может показаться, что в сочетании с крайне низкой ценой, а разница там действительно существенна, пенопласт является наилучшим утеплителем для конструкций. Но есть у него свои недостатки.

Так, пенопласт как и фольгированный утеплитель не используют для отделки пола. Это связано с его слабой прочностью. Под весом человека он продавливается. Ну и отметим, что пенопласт паронепроницаем. То есть пар через него не проходит, а блокируется.

Это уже интересный момент, ведь именно на него обращают внимание, когда говорят, что минвата лучше пенопласта. И действительно, отличие в паропроницаемости имеет свое значение.

Если вы используете при постройке конструкции, что в последствии будут дышать, то утепление стен пенопластом заблокирует этот процесс.

Обычные пенополистирольные шарики

Даже хуже, пар изнутри дома будет выходить наружу, а там блокироваться пенопластом, и оставаться внутри стен. Что, конечно же, приведет к накоплению в них влаги и постепенному, хоть и очень медленному гниению.

В недостатки пенопласта также можно записать его горючесть. Этот материал серьезно плавится и даже горит, вернее, поддерживает огонь. Как видите, при всех его достоинствах, включая действительно важные, есть у пенопласта и свои недостатки.

к меню ↑

1.2 Характеристики пенопласта

Рассмотрим теперь основные характеристики пенопласта. Тем более что их у него не так много и все они в открытом доступе.

Мы не будем рассматривать абсолютно все показатели, а только лишь самые важные, чтобы затем провести сравнение.

Основные характеристики:

  • Теплопроводность как у большинства материалов для утепления потолка – 0,04 Вт/м;
  • Диапазон рабочих температур – от -40 до +70 градусов;
  • Плотность на сжатие – 7-9 т/м2;
  • Коэффициент водопоглощения – 2,1%;
  • Срок безопасной рабочей эксплуатации – 20-30 лет;
  • Класс горючести – горючий;
  • Рабочая толщина утеплителя в стандартных условиях – от 10 см.

Как видим, характеристики у этого материла вполне приемлемы. В сочетании с низкой ценой, это может стать решающим фактором, что приведет вас к решению покупки пенопласта.

Но для начала оцените характеристики пеноплекса, они тоже крайне занимательны.

к меню ↑

1.3 Основные свойства пеноплекса

Утепление пола на балконе с помощью пеноплекса

Между экструдированным пенополистиролом и пенопластом есть довольно серьезная разница. Про способы их создания мы уже говорили. Если пенопласт собирают из отдельных шариков, то пеноплекс переплавляют, образуя крайне прочную конструкцию.

Такие утеплители уже можно без каких-либо опасений использовать для утепления пола. Причем для обработки пола их можно применять даже без монтажа полноценного каркаса.

Вес от внешнего слоя пола будет равномерно распределяться по плитам, а их прочность не даст вам возможности продавить конструкцию.

Плюс отметим, что улучшенные показатели теплопроводности сказываются на рабочей толщине утеплителя. То есть он лучше выполняет свои функции и требуется в меньших количествах.

Там, где для утепления пола пенопластом и утепления потолков в частном доме приходилось использовать плиты толщиной в 8-11 см, для отделки пола экструдированным пенополистиролом хватит и 3-4 см. Причем основание в данном случае будет даже теплее, так как пеноплекс практически идеально изолирует поверхность.

Чего только стоит тот факт, что именно его в большинстве случаев используют на крайнем севере, где температура зимой падает до критических отметок. И даже там люди редко используют плиты толщиной больше 10 см.

Также пеноплекс перебирает на себя практически все положительные характеристики пенопласта, только они у него проявляются лучше.

Что же до негативных, то мы уже отметили его повышенную прочность и сопротивление разрушениям. Горит пеноплекс тоже намного хуже.

Единственный его недостаток, что напрямую перекочевал от предка – это паронепроницаемость. Здесь у пеноплекса все так же плохо, как и у пенопласта.

Ну и не стоит забывать про цену. Если пенополистирол стандартного типа подкупал людей своей крайне низкой ценой, то пеноплекс во многом даже дороже минваты.

Хотя тут стоит понимать, что его дороговизна совершенно оправдана. Поэтому решать, что лучше для вас, нужно будет в индивидуальном порядке.

к меню ↑

1.4 Характеристики пеноплекса

Что же до характеристик пеноплекса, то рассмотреть их тоже нужно в обязательном порядке.

Плиты из обычного пенопласта

Основные характеристики:

  • Теплопроводность — 0,029-0,03 Вт/м;
  • Диапазон рабочих температур 0 от -50 до +75 градусов по Цельсию;
  • Плотность на сжатие – 20-22 т/м2;
  • Коэффициент водопоглощения – 0,5%;
  • Класс горючести – Г3 как у потолочной плитки из пенополистирола;
  • Срок эксплуатации – от 50 лет;
  • Рабочая толщина утеплителя – 3-5 см.

к меню ↑

2 Сравнение утеплителей и их свойств

Как видите, характеристики у этих утеплителей во многом схожи. При первом взгляде становится очевидно, что по сухим расчетам лучше все-таки пеноплекс. Он имеет лучший показатель теплопроводности, рабочий слой утеплителя в нем почти в 2 раза меньше.

Он почти в 4 раза слабее поглощает влагу, а если быть откровенным, то не поглощает ее вообще. При этом его слабая горючесть тоже является большим преимуществом, особенно если сравнивать с горючестью пенопласта.

Не будем забывать и про плотность пеноплекса. Она у него примерно в 2.5 раза выше, чем у обычного пенополистирола. На практике, если по пенопласту можно ходить, частично продавливая его, то пеноплекс не боится даже длительных серьезных нагрузок.

Неудивительно, что пеноплекс используют для утепления пола, а вот обычный пенопласт предпочитают в подобных работах не использовать.

Но тут надо понимать, что в общем, показатели пеноплекса хоть и лучше, но по основным статьям они мало чем отличаются. Тогда стоит ли платить больше?

Ведь если вам нужен утеплитель для стен, то тут ни его прочность, ни коэффициент водопоглощения серьезной роли не играет. Равно как и толщина рабочего слоя. А вот цена будет иметь значение.

Поэтому мы советуем использовать пеноплекс для наружной отделки, защиты пола, а также в ситуации, когда у вас есть деньги и желание пользоваться действительно качественным утеплителем.

Во всех остальных случаях хватит и пенопласта. Только для отделки фасадов его лучше не применять, так как это не лучшим образом влияет на пожарную безопасность дома.

к меню ↑

2.1 Сравнение горючести пенопласта и пеноплекса (видео)

Теплопроводность пенополиуретана

Теплопередача:

  1. Основы тепломассообмена, 7-е издание. Теодор Л. Бергман, Эдриенн С. Лавин, Фрэнк П. Инкропера. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
  2. Тепло- и массообмен. Юнус А. Ценгель. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
  3. Министерство энергетики США, термодинамики, теплопередачи и потока жидкости. Справочник по основам DOE, том 2 из 3.Май 2016.

Ядерная и реакторная физика:

  1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Эддисон-Уэсли, Ридинг, Массачусетс (1983).
  2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
  5. W.С.С. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
  6. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
  7. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
  8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам DOE, том 1 и 2. Январь 1993 г.
  9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Advanced Reactor Physics:

  1. K.О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
  2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
  3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
  4. Э. Льюис, У. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

(PDF) Излучательные и теплопроводные термические свойства пен

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

15 Фу, X., Висканта Р. и Гор Дж. П. (1998)

Прогнозирование эффективной тепловой

проводимости ячеистой керамики. Int.

Комм. Тепломассообмен, 25 (2),

151–160.

16 Incropera, F.P. и ДеВитт, Д. (1990)

Основы тепломассопереноса,

3-е изд., Джон Вили, Нью-Йорк.

17 Лу, Т.Дж. и Chen, C. (1999) Thermal

Транспортные и огнестойкие свойства

ячеистых алюминиевых сплавов.Acta Mater.,

47 (5), 1469–1485.

18 Кальмиди, В.В. и Махаджан Р.Дж. (1999)

Эффективная теплопроводность высокопористых металлических пен

. ASME J.

Heat Transfer, 121,

466–471.

19 Бхаттачарья А., Калмиди В.В. и

Mahajan, R.J. (2002) Теплофизические свойства

высокопористых металлических пен.

Внутр. J. Тепломассообмен, 45, 1017–1031.

20 Боомсма, К. и Пуликакос, Д.(2001)

Об эффективной теплопроводности

трехмерно структурированной жидкости

, насыщенной металлической пеной. Int. J. Heat Mass

Transfer, 44, 827–836.

21 Saadatfar, M., Arns, C.H., Knackstedt,

M.A. и Senden, T. (2004) Механические

и транспортные свойства полимерных пен

, полученные из трехмерных изображений. Коллоиды

Прибой. A: Physicochem. Англ. Аспекты, 263,

284–289.

22 Друма, А.М., Алам М.К. and Druma,

C. (2004) Анализ термической проводимости

углеродных пен. Int. J.

Thermal Sci., 43, 689–695.

23 Bauer, T.H. (1993) Общий аналитический подход

к термической проводимости

пористой среды. Int. J.

Тепломассообмен, 36 (7), 4181–4191.

24 Coquard, R. и Baillis, D. Числовое значение

и экспериментальное исследование кондуктивного теплопереноса

в металлических /

керамических пенах.Int. J. Heat Mass Transfer

(представлен).

25 Baillis, D., Doermann, D. and Sacadura,

J.F. (2000) Свойства теплового излучения

дисперсных сред: теоретический прогноз

и экспериментальное определение характеристик

. J. Quantitat. Spectrosc.

Перенос излучения, 67, 327–363.

26 Loretz, M., Coquard, R., Baillis, D. и

Maire, E. (2006) Металлическая пена излучающая

Свойства / сравнение между

различными моделями, Международная конференция по теплообмену

, IHTC- 13, Сидней,

Австралия, 13–18 августа.

27 Skocypec, R.D., Hogan, R.E. и

Muir, J.F. (1991) Солнечный риформинг метана

в каталитическом реакторе прямой абсорбции

на параболической тарелке: II.

Моделирование и анализ. Proc.

ASME-ISME 2nd Int. Solar Energy

Conf (под ред. T.R. Mancini et al.), ASME

Solar Energy Division, New York,

pp. 303–310.

28 Хейл, М.Дж. и Бон, М.С. (1993)

Измерения радиационного переноса

свойств сетчатых алюминиевых пен

.Proc. Совместная конференция ASME / ASES по солнечной энергии

(редакторы А. Киркпатрик и У.

Ворек), ASME, Нью-Йорк, стр.

507–515.

29 Хендрикс, Т.Дж. и Хауэлл, Дж. Р. (1996)

коэффициенты поглощения / рассеяния и функции фазы

рассеяния в сетчатой ​​пористой керамике

. J. Heat Transfer, 118,

79–87.

30 Байлис, Д. и Сакадура, Дж. Ф. (2002)

Определение спектральных радиационных свойств

пенополиуретана:

влияние числа

полусферических и двунаправленных

измерений пропускания.AIAA J.

Thermophys. Теплообмен, 16 (2),

200–206.

31 Керкер М. (1969) Рассеяние света

и другое электромагнитное излучение,

Academic Press, Нью-Йорк.

32 van de Hulst, H.C. (1981) Свет

Рассеяние малыми частицами, Dover

Publications, Нью-Йорк.

33 Bohren, C.F. и Хаффман, Д. (1983)

Поглощение и рассеяние света

малыми частицами, Джон Вили, Нью-Йорк.

34 Брюстер, M.Q. (1992) Thermal Radiative

Transfer and Properties, John Wiley, New

York.

Ссылки

j

383

Влияние плотности, рассеяния фононов и нанопористости на теплопроводность анизотропных пен из нанокристаллов целлюлозы

Приготовление, структура и пористость пен, полученных методом литья под давлением с ЧПУ

Мы приготовили анизотропные пены из целлюлозы нанокристаллические (CNC) дисперсии, полученные путем нанесения льда или литья вымораживанием с последующей сушкой вымораживанием.ЧПУ предлагают более широкий диапазон концентраций дисперсии, чем, например, дисперсии CNF, которые загустевают при относительно низком содержании твердого вещества 19 и становятся очень вязкими и трудными для обработки. Плотность лиофилизированных и лиофилизированных пен напрямую зависит от содержания твердых веществ в исходных жидких дисперсиях, и мы охватили диапазон концентраций дисперсий от 2,0 до 10,5 мас.% (Рис. 1а). Более разбавленные дисперсии не приводят к образованию самостоящих пен без добавления связующих или добавок, в то время как более концентрированные дисперсии трудно перерабатывать из-за их высокой вязкости.Корреляция между концентрациями дисперсии и плотностью пены представлена ​​в дополнительной таблице S1, и пены будут обозначаться, как указано в крайнем правом столбце, с аббревиатурой, указывающей их плотность в сухом состоянии (в кг м −3 ) .

Рис. 1

Анизотропные пенопласты с ЧПУ, полученные литьем вымораживанием водных дисперсий; (a ) Концентрация дисперсии с ЧПУ и соответствующие диапазоны плотности пены исследовались в данном документе. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) изображения поперечных сечений столбчатых макропористых структур для пен с плотностями; ( b ) 40 кг м −3 ; а также; ( c ) 130 кг м −3 .Изображения стенок пенопласта, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (HRSEM) высокого разрешения, наблюдаемые в лиофилизированных и лиофилизированных пенах с плотностями; ( d ) 40 кг м −3 ; а также; ( e ) 130 кг м −3 . Толщина стенок пенопласта указана желтыми стрелками.

Пены были произведены с использованием ЧПУ CelluForce с диаметром 4,3 ± 0,8 нм и длиной 173 ± 41 нм (дополнительный рис. S1), что соответствует среднему аспектному соотношению около 40. ЧПУ содержат полуэфиры сульфата в качестве поверхности групп и поверхностный заряд 0.31 ± 0,01 ммоль OSO 3 г –1 .

Макропоры, то есть поры, которые окружены стенками из пенопласта, сделанными из льда, имеют столбчатую форму из-за однонаправленного роста льда (дополнительный рис. S2) с удлиненными поперечными сечениями (рис. 1b, c). Пористость пен с ЧПУ, которая была определена гравиметрическим методом в атмосфере без влаги, находилась в диапазоне от 98,3 до 91,3%, что соответствовало пенам плотностью 25 и 130 кг м -3 , соответственно.Толщина стенок пенопласта увеличивалась с увеличением плотности и составляла от нескольких сотен нанометров для пен с низкой плотностью (25–40 кг м −3 ) (рис. 1d) до нескольких микрометров для пен с высокой плотностью (130 кг м −3). ) пены (рис. 1д).

Литье замораживанием ориентирует анизотропные частицы в направлении замерзания 20 , которое далее будет называться осевым направлением, а радиальное направление относится к направлению, перпендикулярному направлению замерзания (рис.2а, врезка). Пены обладают иерархической пористой структурой, имеющей не только макропоры, но и нанопоры внутри стенок пенопласта, как показывают измерения сорбции азота (рис. 2а).

Рисунок 2

Пористость и выравнивание пенопластов с ЧПУ. ( a ) Объем нанопор, определенный по изотермам адсорбции N 2 в стенках из пенопласта с ЧПУ, как функция плотности пены. Врезка Схематическое изображение структуры анизотропной пены и стенок пены. ( b ) Параметр ориентации частиц в пеноматериалах с ЧПУ как функция плотности пены. Вставка Типичная двумерная картина дифракции рентгеновских лучей (XRD) пенопласта с ЧПУ (угол \ (\ phi \), изображенный на изображении, определен в разделе «Методы»). ( c ) Диаметр поперечного сечения макропор как функция плотности пены (полые треугольники относятся к длине и ширине удлиненных поперечных сечений макропор, закрашенные квадраты относятся к среднему значению обоих размеров). ( d ) Столбчатое выравнивание макропор оценивается анализом изображения SEM как функция плотности пены.

Объем нанопор пен с ЧПУ увеличивается с увеличением плотности до плотности пены 34 кг м -3 (пены CNC 34 ), за которым следует уменьшение объема нанопор с увеличением плотности для более плотных пен; от 7,5 мм 3 г −1 для пенопластов CNC 34 примерно до 1,6 мм 3 g −1 для пенопластов CNC 88 и выше. Максимальный объем нанопор коррелирует с диапазоном концентраций начала образования холестерической фазы в водной дисперсии CNC 21 .Уменьшение объема нанопор с увеличением плотности пены может быть связано с более плотной упаковкой частиц с ЧПУ, поскольку литье замораживанием выполняется при концентрациях дисперсии с увеличивающимся количеством холестерической фазы 22,23 . Интересно отметить, что даже пенопласты с ЧПУ с наивысшей нанопористостью, CNC 34 , имеют в четыре раза меньший объем нанопор по сравнению с литыми замороженными пенами CNF 24 , где плотная упаковка затруднена из-за запутывания изогнутых и гибких нанофибриллы.

Ориентацию (частично) кристаллических частиц CNC в пеноматериалах можно оценить с помощью измерений XRD путем извлечения параметра ориентации частиц, также называемого параметром ориентации Германса (\ (\ overline {P} _ {2} \) ). Параметр ориентации частиц в пеноматериалах с ЧПУ колеблется и находится в диапазоне от \ (\ overline {P} _ {2} = 0,49 \) для пен со средней плотностью (пенопласты CNC 40 ) до \ (\ overline {P} _ {2} \ ge 0,37 \) для пен с более высокой плотностью и \ (\ overline {P} _ {2} = 0.32 \) для пенопласта CNC 25 (рис. 2б). Низкая ориентация частиц пенопласта с самой низкой плотностью (CNC 25 ) и самые тонкие стенки пенопласта могут быть связаны с менее эффективным процессом коллективного совмещения.

Диаметр поперечного сечения макропор (рис. 2c) практически не зависел от плотности пены, а выравнивание макропористой столбчатой ​​формы (рис. 2d) лишь незначительно уменьшалось с увеличением плотности пены, что позволяет предположить, что частицы CNC оказывают незначительное влияние на рост кристаллов льда во время литья в замораживании.

Теплопроводность пеноматериалов с ЧПУ и оценки по объему

Анизотропная теплопроводность была измерена в специальной установке Hot Disk, где можно было контролировать температуру и относительную влажность 25 .

Относительная неопределенность значений радиальной теплопроводности (λ r ) была оценена в 12% путем анализа распространения неопределенностей параметров, необходимых для их расчета, а именно радиальной температуропроводности (α r ) ( Дополнительный рис.{2}} $$

(2)

где \ ({\ Delta X} \) — общая неопределенность переменной X, которая представляет собой сумму случайной и систематической неопределенностей 26 . Случайные неопределенности α r , ρ и C p были основаны на оценках средних относительных стандартных отклонений (SD), полученных при повторных измерениях на нескольких образцах (не менее четырех на образец для ρ, не менее пяти на образец для α r и всего пять для C p ), и были умножены на 1.65, который относится к 95% доверительному интервалу 26 . Полученные относительные случайные неопределенности составили 6%, 4% и 1% для α r , ρ и C p соответственно. Систематическая погрешность или инструментальная погрешность \ ({\ upalpha} _ {r} \) оценивается в 5% 27 , в то время как систематическая погрешность для \ ({\ uprho} \) и \ (C_ {p } \). \ ({\ Delta} C_ {p} \) также включает неопределенность измерения водопоглощения при различной относительной влажности, которая использовалась для определения C p при различной относительной влажности с использованием правила смесей.

Зависимость от плотности радиальной теплопроводности (λ r ) и осевой теплопроводности (λ a ) пеноматериалов с ЧПУ при относительной влажности 50% показана на рис. 3. λ r , перпендикулярно для ориентированных фибрилл (рис. 3а) была в четыре-шесть раз меньше, чем λ a (рис. 3b). На λ r относительно не влияла относительная влажность, но λ a увеличивалась с увеличением относительной влажности (дополнительный рисунок S5). Основная часть анализа и обсуждения будет посвящена радиальной теплопроводности при относительной влажности 50%, но аналогичные тенденции наблюдаются при относительной влажности 5, 20 и 80% (дополнительный рис.S6).

Рисунок 3

Зависимость теплопроводности пеноматериалов с ЧПУ от твердой фракции (об. / Об.%). ( a ) Радиальный (λ r ) и; ( b ) осевая (λ a ) теплопроводность пен с ЧПУ как функция твердой фракции ЧПУ (об. / Об.%) При 295 К и относительной влажности 50%. Черные закрашенные кружки соответствуют экспериментальным данным, а сплошные линии соответствуют объемно-взвешенным параллельным основанным на сумме теоретическим оценкам теплопроводностей, при; (i) сухой (λ сухой, параллельно ) и (ii) влажные условия с относительной влажностью 50% (λ влажный, параллельно ), а пунктирная линия соответствует последовательному добавлению для влажных условий 50% RH (λ влажный, серийный ).

Рисунок 3a показывает, что при относительной влажности 50% λ r оставалась в диапазоне 28–32 мВт · м −1 K −1 для пен с сухими твердыми фракциями от 1,7 до 3,5%, что соответствует плотность в сухом состоянии от 25 до 52 кг м −3 (см. дополнительную таблицу S1) и увеличивается с увеличением доли твердого вещества для пен с долей сухого твердого вещества выше 3,5%, до 57 мВт м −1 K −1 для пеноматериалы CNC с наивысшей твердой фракцией (пенопласты CNC 130 ).Осевая теплопроводность, λ a , демонстрировала заметное увеличение с увеличением твердой фракции для пен с низкой твердой фракцией (до CNC 40 пен), за которым следовало менее резкое увеличение для пен с высокой твердой фракцией (рис. 3b). .

Теплопроводность пористой пены была оценена с помощью так называемой модели параллельного резистора с взвешенными объемными долями вкладов твердого вещества и газа в перенос тепла. Модель параллельного резистора предполагает одновременную (параллельную) теплопередачу через твердую и газовую фазы 28 .Стенки пенопласта с ЧПУ обеспечивают соединенные твердые пути проводимости как в осевом, так и в радиальном направлениях (см. Вставку на рис. 2a), что предполагает, что модель параллельного резистора подходит для моделирования как радиальной, так и осевой теплопроводности. Ожидается, что вклады излучения и конвекции будут незначительными, поскольку температура относительно низкая (295 К), а размер пор пен менее 1 мм соответственно. Считалось, что стенки из пенопласта состоят из плотно упакованных частиц с ЧПУ, которые полностью выровнены в осевом направлении.Использовалась теплопроводность частиц ЧПУ (λ ячейка ), перпендикулярно (720 мВт м –1 K –1 ) и вдоль (5700 мВт м –1 K –1 ) их длинной оси. как приближение твердого вклада в радиальном и осевом направлении, соответственно 8 . Теплопроводность воздуха при 295 К (λ воздух = 25,7 мВт м –1 K –1 ) использовалась для вклада газа. Используя модель параллельного резистора, теплопроводность пенопласта с плотными стенками в сухих условиях, λ dry , может быть выражена как:

$$ \ lambda_ {dry, parallel} = \ phi_ {air} \ cdot \ lambda_ { воздух} + \ phi_ {ячейка} \ cdot \ lambda_ {ячейка} $$

(3)

где \ (\ phi_ {air} \) и \ (\ phi_ {cell} \) — объемные доли воздуха и стенок из пенопласта, соответственно, нормированные на общий кажущийся объем пенопласта (\ (\ phi_ {air } \) + \ (\ Phi_ {cell} \) = 1).\ (\ phi_ {air} \) и \ (\ phi_ {cell} \) были рассчитаны на основе кажущейся плотности пены и скелетной плотности целлюлозы (см. «Материалы и методы»).

Пена с ЧПУ впитывает воду, и вклад содержания воды при относительной влажности 50% (дополнительный рис. S7) с λ h3O = 600 мВт м –1 K –1 был включен в оценку теплового проводимость влагосодержащих пен (λ влажный ) по формуле. (4):

$$ \ lambda_ {мокрый, параллельный} = \ phi_ {air} \ cdot \ lambda_ {air} + \ phi_ {cell} \ cdot \ lambda_ {cell} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ lambda_ {h3O} $$

(4)

где \ (\ phi_ {h3O} \) — объемная доля воды, полученная на основе гравиметрического измерения водопоглощения (см. «Материалы и методы»).Интересно отметить, что разница между направлением λ сухой и λ влажный составляет (1–2 мВт м –1 K –1 ), что позволяет предположить, что замена воздуха водой оказывает незначительное влияние. по теплопроводности пен с ЧПУ при относительной влажности 50%.

Теплопроводность также может быть описана последовательной моделью резистора 29,30,31 . Комбинации параллельной модели (описанной выше) и серийной модели были использованы для соответствия теплопроводности различных изотропных пористых материалов 31,32,33 .Серийная модель включает добавление различных вкладов в теплопроводность при относительной влажности 50%, как указано в уравнении. (5):

$$ \ lambda_ {wet, serial} = \ frac {1} {{\ frac {{\ phi_ {air}}} {{\ lambda_ {air}}} + \ frac {{\ phi_) {cell}}} {{\ lambda_ {cell}}} + \ frac {{\ phi_ {h3O}}} {{\ lambda_ {h3O}}}}} $$

(5)

Серийная модель, поскольку она предполагает путь теплопередачи, чередующийся от твердой фазы к газовой, дает гораздо более низкие значения по сравнению с параллельной моделью (рис.3а).

Рисунок 3b показывает, что взвешенные по объему оценки вкладов газа и твердого вещества с использованием модели параллельного резистора, уравнения. (3) и (4) относительно хорошо соответствовали осевой теплопроводности пен с ЧПУ до твердой фракции 3,3% или плотности 50 кг · м −3 , но завышают осевую теплопроводность при высокой твердости пены. фракции. Следует отметить, что уменьшение заданного значения теплопроводности твердой фазы целлюлозы в осевом направлении 8 на 5,7 Вт м -1 K -1 улучшило бы соответствие между теоретической оценкой и экспериментальной. значения также для пен с высоким содержанием твердой фракции, но нелинейная зависимость твердых фракций λ a предполагает, что существуют другие факторы, помимо возможного снижения теплопроводности твердой фазы, которые способствуют ограничению увеличения λ a с увеличением плотность.

Эффект Кнудсена и рассеяние фононов

Хорошо известно, что газовая проводимость значительно снижается, когда размер пор становится подобным или меньше, чем длина свободного пробега молекул воздуха, так называемый эффект Кнудсена 34 . Влияние нанопор на вклад газовой проводимости в теплопроводность λ np можно оценить по формуле. (6):

$$ \ uplambda _ {{{\ text {np}}}} = \ frac {{\ uplambda _ {air}}} {{1 + 2 \ upbeta \ cdot {\ text {Kn} }}} $$

(6)

где β — характеристическое число, равное 2 для пен и аэрогелей, а Kn — число Кнудсена, которое можно оценить, разделив длину свободного пробега молекул воздуха на размер пор 34 .Нанопористость стенок пенопласта при относительной влажности 50% варьировалась от 5 до 8% (этот диапазон варьируется при другой относительной влажности из-за различных процентов набухания, см. Дополнительный рисунок S7), а средний диаметр нанопор находился в диапазоне от 7 до 10 нм (дополнительная таблица S2).

Высокое число Кнудсена (4–6) в нанопорах приводит к λ np , что ниже 1,5 мВт м –1 K –1 при относительной влажности 0–80% для всех пен с ЧПУ, в то время как теплопроводность в гораздо более крупных макропорах λ mp (рассчитанное по той же формуле) очень близко к значению для воздуха, поскольку эффект Кнудсена незначителен при размерах пор более 30 мкм (рис.2в).

Путем включения эффекта Кнудсена и введения отдельных газовых вкладов для макропор (λ mp ) и нанопор (λ np ) мы получаем параллельную объемно-взвешенную оценку радиальной теплопроводности влагосодержащих пен, λ влажный, Kn, параллельный , выраженный уравнением. (7):

$$ \ lambda_ {wet, Kn, parallel} = \ phi_ {mp} \ cdot \ lambda_ {mp} + \ phi_ {np} \ cdot \ lambda_ {np} + \ phi_ {cell} \ cdot \ lambda_ {ячейка} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ lambda_ {h3O} $$

(7)

, где \ (\ phi_ {np} \) оценивается из объема нанопор, полученного с помощью измерений адсорбции N 2 (см. Рис.2а) и общий объем пены, а \ (\ phi_ {mp} \) соответствует оставшемуся объему воздуха (\ (\ phi_ {mp} + \ phi_ {np} = \ phi_ {air} \)). Однако оценка λ влажная, Kn, параллельная намного выше, чем измеренная радиальная теплопроводность (рис. 4), что показывает, что эффект Кнудсена имеет второстепенное значение из-за малой доли нанопор в пенах. Тем не менее, λ r достиг значения, близкого к значению для воздуха при np , значениям выше 7% при относительной влажности 50% (дополнительный рис.S8).

Рисунок 4

Механизмы теплопередачи в зависимости от твердой фракции в пенопластах с ЧПУ. Радиальная теплопроводность (λ r ) пен с ЧПУ как функция твердой фракции CNC (об. / Об.%), Включая экспериментальные данные при относительной влажности 50%, теоретические оценки λ влажный, Kn, параллельно , включая оба поглощения воды при относительной влажности 50% и эффект Кнудсена в нанопорах, а также теоретические оценки λ влажный, Kn, Rk, параллельный и λ влажный, Kn, Rk, серийный , дополнительно включая межфазные эффекты частицы в стены из пенопласта и различие между параллельным и последовательным сложением.

Вклад твердой проводимости в теплопроводность наноструктурированных материалов может быть существенно уменьшен за счет рассеяния фононов на границах раздела частицы 16 . Эффект рассеяния фононов на границах раздела может быть выражен межфазным термическим сопротивлением или сопротивлением Капицы (R k ), которое можно оценить по формуле. (8):

$$ R_ {k} = \ frac {{g_ {i}}} {{\ lambda_ {i}}} = {} \ frac {{d_ {t}}} {{\ lambda_ { t}}} {} — {} 2 \ cdot \ frac {d} {{\ lambda_ {cell}}} $$

(8)

, где g i — расстояние разделения поверхностей между двумя соседними частицами ЧПУ, λ i — межфазная теплопроводность, d — средний диаметр частицы ЧПУ (= 4.3 ± 0,8 нм), а λ t и d t — теплопроводность и длина, соответственно, системы, состоящей из двух ЧПУ-частиц, расположенных параллельно друг другу с зазором, g i . Расстояние между волокнами g i , как было показано, зависит от водопоглощения и, по оценкам, колеблется от 5,1 до 6,2 Å в стенках пенопласта литых замораживанием пен CNF при относительной влажности 35–65% 16 . Поглощение воды пенами CNC значительно меньше, чем пенопластами CNF 16 , и мы использовали расчетное значение g i , равное 2.3 ± 0,4–3,7 ± 0,7 Å при относительной влажности 50% (см. Дополнительный рисунок S7). Значение для λ t = 270 мВт м –1 K –1 было получено из Diaz et al. 8 . Межфазное термическое сопротивление в радиальном направлении выровненных частиц CNC было оценено как 2,2 × 10 –8 м 2 K Вт -1 . Интересно отметить, что расчетный R k для ЧПУ имеет такую ​​же величину (10 –8 м 2 K Вт -1 ), как и для углеродных нанотрубок 35 .

Эффект рассеяния фононов на границах раздела может быть включен в оценку (твердой) теплопроводности тонкой пленки (то есть стенки пенопласта) выровненных наночастиц ЧПУ, λ p , по формуле. (9):

$$ \ lambda_ {p} = \ frac {{\ lambda_ {cell}}} {{1 + \ lambda_ {cell} \ cdot \ frac {{R_ {k}}} {d}} } $$

(9)

, где \ (\ lambda_ {cell} \) — радиальная теплопроводность отдельной частицы с ЧПУ (720 мВт м –1 K –1 , как упоминалось выше 8 ).Включение расчетного межфазного термического сопротивления для стенок из пенопласта с ЧПУ (2,2 × 10 –8 м 2 K Вт −1 ) привело к расчетному значению твердого вклада в теплопроводность в радиальном направлении, λ p , 158–163 мВт м –1 K –1 при относительной влажности 50%. Параллельная объемно-взвешенная оценка радиальной теплопроводности влагосодержащих пен, которая учитывает как рассеяние фононов, так и эффекты Кнудсена, λ влажный, Kn, Rk, параллельный , дается уравнением.(10):

$$ \ lambda_ {wet, Kn, Rk, parallel} = \ phi_ {mp} \ cdot \ lambda_ {mp} + \ phi_ {np} \ cdot \ lambda_ {np} + \ phi_ {cell } \ cdot \ lambda_ {p} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ lambda_ {h3O} $$

(10)

Рисунок 4 показывает, что полученная оценка λ wet, Kn, Rk хорошо соответствует экспериментальным значениям радиальной теплопроводности пен CNC 25-88 , что предполагает значительное снижение проводимости твердого тела фононами. Рассеяние необходимо для получения анизотропных пен с ЧПУ с низкой радиальной теплопроводностью.

Для сравнения мы также оценили теплопроводность, используя соответствующую серийную модель резистора, заданную формулой. (11):

$$ \ lambda_ {wet, Kn, Rk, serial} = \ frac {1} {{\ frac {{\ phi_ {mp}}} {{\ lambda_ {mp}}} + \ frac {{\ phi_ {np}}} {{\ lambda_ {np}}} + \ frac {{\ phi_ {cell}}} {{\ lambda_ {p}}} + \ frac {{\ phi_ {h3O}} } {{\ lambda_ {h3O}}}}} $$

(11)

, из которого видно, что серийная модель занижает радиальную теплопроводность (рис.4). Рассеяние фононов на границах раздела твердое тело – газ 8,36,37 могло также снизить теплопроводность, но оценить возможную величину этого явления было невозможно.

Испытание пеностеклянного гравия на теплопроводность — C-Therm Technologies Ltd.

Теплопроводность нового пеностеклянного гравия (произведенного Glavel Inc.) для строительства была протестирована с помощью метода C-Therm Trident Flex TPS.

Строительство и строительство часто включают в себя широкий спектр типов материалов.Механические свойства этих материалов, такие как предел прочности на разрыв, предел выносливости и прочность на сжатие, имеют большое значение с точки зрения конструкции. Также важно учитывать термические свойства выбранных материалов. Термическая стабильность материала может быть напрямую связана с структурной целостностью при изменении сезонных температур, в то время как терморегулирующие свойства могут определять рейтинги энергоэффективности. Использование экологически чистых материалов с привлекательными физическими и термическими свойствами может уменьшить углеродный след здания .Материалы, которые обеспечивают физические, термические и экологические преимущества, а также являются экономичными, являются идеальными кандидатами.

Установка Glavel Thermal Glass Foam Gravel

Компания

Glavel, Inc., базирующаяся в Берлингтоне, штат Вирджиния, специализируется на производстве пеностеклянного гравия, высокоэффективного заполнителя, используемого для различных применений в строительстве в строительной отрасли. Пеностеклянный гравий почти полностью производится из вторичного стекла, полученного после бытового использования, и обеспечивает теплоизоляцию R1.7 на уплотненный дюйм. Он чрезвычайно легкий (10 фунтов на кубический фут), но обладает высокой прочностью на сжатие для несущих нагрузок. Эти характеристики делают его отличным заменителем жестких пенопластов в изоляции под плитами, а также хорошо подходят для легкой зеленой засыпки кровли, дорожного полотна, стабилизации насыпей и засыпки туннелей. Благодаря своему легкому весу расход топлива при транспортировке к строительным объектам снижается, а содержание вторичного сырья делает Glavel естественным строительным материалом с низким содержанием углерода.Пеностекло Glavel скоро будет производиться в северном Вермонте на производственном предприятии, которое полностью работает на возобновляемых источниках энергии, что еще больше снижает количество углерода, связанного с продуктом. Производство в Вермонте намечено на лето 2021 года.

Flex TPS ISO 22007-2 Датчики

C-Therm охарактеризовала образец пеностекла Glavel Inc., используя метод Transient Plane Source (TPS) на платформе Trident. TPS хорошо подходит для испытания пористых образцов и рекомендуется для различных строительных материалов, таких как цемент и бетон.Возможность тестирования без использования контактного агента делает TPS отличным вариантом для этого типа материала. Тестирование проводилось в условиях окружающей среды в соответствии с ISO 22007-2.

Испытание теплопроводности пеностеклянного гравия

Образец был протестирован в трех экземплярах с использованием датчика TPS 13 мм с помощью TPS Bulk Utility. Для тестирования этого материала наверху установки был помещен груз весом 500 г, чтобы обеспечить адекватное контактное усилие между образцом и датчиком, как показано выше.

Теплопроводность отдельных тестов, а также среднее значение и% RSD (относительное стандартное отклонение) приведены ниже. Все измерения были подтверждены в соответствии с требованиями ISO 22007-2.

Идентификатор пробы Номер теста Теплопроводность (Вт / мК) Среднее значение (Вт / м · К) RSD (%)
Пеностекло Glavel 1 0.0735 0,0748 1,8%
2 0,0762
3 0,0746

Результаты показали хорошую воспроизводимость между измерениями с общим% RSD менее 2%. Средняя теплопроводность 0,0748 Вт / мК указывает на хорошие изоляционные свойства и хорошо подходит для предполагаемого конечного использования.

Чтобы узнать больше о тестировании теплопроводности с помощью Trident, посетите www.ctherm.com/products/trident

Чтобы узнать больше о пеногравийном стекле Glavel, посетите https://www.glavel.com

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.

Как термическое воздействие может улучшить ваш сон

Как тепловая эффузия матраса может повлиять на ваш режим сна и какие термальные материалы способствуют созданию спокойной обстановки

Качественный сон каждую ночь — важный аспект поддержания здорового тела и образа жизни.Человеческое тело не смогло бы выжить без сна, поскольку он помогает поддерживать многие жизненно важные функции организма. Взрослым в возрасте 18–64 лет требуется 7–9 часов сна каждую ночь, и каждый четвертый взрослый не соответствует этому стандарту.

Рис. 1. Матрас способствует хорошему ночному сну

Комфортность матраса может быть основным фактором, влияющим на качество сна человека. Матрасы — одна из старейших предметов домашнего обихода, поскольку археологи обнаружили артефакты матрасов, датируемые более 77000 лет назад.С тех пор наука о комфорте матраса значительно улучшилась, поскольку новые технологии стремятся объединить различные материалы для создания идеальной поверхности для сна.

Неудобная среда — одно из главных препятствий для полноценного сна. Идеальная комнатная температура для качественного сна составляет от 16 ° C до 18 ° C, а температура выше этой может кардинально изменить режим сна. Сон на матрасе, который может обеспечить охлаждающий эффект, может значительно улучшить сон человека.

Термическая эффективность

Ощущение «прохлады», создаваемое некоторыми матрасами при прикосновении, напрямую связано с термической эффузией материала матраса. Термическая эффузия относится к способности материала обмениваться теплом с окружающей средой.

Пример термической эффузии — ощущение холода, которое испытывает металлический предмет при прикосновении. Металлы обладают высокой теплопроводностью и быстро поглощают тепло из окружающей среды. Когда рука касается металла, металл быстро забирает тепло из руки и рассеивает его.Скорость этого взаимодействия делает металл холодным на ощупь.

Дерево — это материал с низкой теплопроводностью, который кажется теплым на ощупь при комнатной температуре. Это связано с тем, что атомы древесины отводят тепло от руки гораздо медленнее, чем атомы металла. Выбор матраса, который состоит из материалов с высокими значениями термической эффузии, создаст более прохладную среду для сна, поскольку тепло может легче обмениваться с окружающей средой.

Разновидности матрасов

Латексные и пружинные матрасы

Латексные матрасы — одна из самых популярных разновидностей на рынке, поскольку они являются более прочной альтернативой пене с эффектом памяти.Латекс часто делают из натуральных и органических материалов, которые гипоаллергенны и устойчивы к пыли. Эти матрасы очень отзывчивые и упругие. Они также оставляют дополнительное пространство между спальным местом и поверхностью матраса. Это дополнительное пространство позволяет захваченному воздуху циркулировать, создавая более прохладную среду.

Латекс — это естественно материал с низкой эффузивностью и относительно теплым на ощупь, но все же имеет лучшую циркуляцию и эффузию, чем пена с эффектом памяти. Пружинные матрасы — еще одна популярная альтернатива матрасам из пеноматериала с эффектом памяти «формочка для печенья».Витые пружины создают пространство между плотно упакованными волокнами матраса, обеспечивая циркуляцию воздуха и конвекцию тепла. Большая конвекция внутри матраса может помочь отвести избыточное тепло тела от спящего и сделать матрас более прохладным на ощупь, поскольку отводится больше тепла.

Рисунок 2: Изображение пружинного матраса в разрезе

Матрасы из пены с эффектом памяти

Пена с эффектом памяти в настоящее время является самым популярным материалом для матрасов на рынке. Он приобрел свою популярность благодаря своей универсальности и широкому спектру приложений.Пена с эффектом памяти была впервые разработана в середине 1960-х годов для использования в качестве подушек сидений в самолетах НАСА для повышения комфорта во время длительных путешествий. Он использует тепло тела для придания определенной формы индивидуальным чертам лица, устраняя прямое давление на определенные области тела. Хотя пена с эффектом памяти чрезвычайно удобна, она имеет очень низкую термическую эффузию и значительно ограничивает поток воздуха. Он состоит из пенополиуретана, который является одним из самых популярных изоляционных материалов для дома с теплопроводностью 0.002 — 0,0035 Вт / мК.

Все пены обладают высокой пористостью и содержат множество карманов, заполненных воздухом и газом. Воздух и большинство газов имеют низкую теплопроводность и, когда присутствуют в материале, могут ограничивать конвекцию и влиять на способность материалов к теплопередаче.

Присадки

В матрас из вспененного материала с эффектом памяти могут быть добавлены дополнительные вещества, чтобы увеличить его тепловую эффузию и сделать матрас более прохладным на ощупь. Одна из самых популярных добавок — частицы геля.Эти частицы геля похожи на частицы спортивного инвентаря и многоразовые пакеты со льдом. Добавление геля к поролоновому матрасу может значительно улучшить его термическую эффузию и проводимость, однако за это приходится платить.

Матрас из вспененного материала с эффектом памяти, включая охлаждающий гель, стоит в среднем на 5–20% больше, чем стандартный матрас из вспененного полиуретана. Многие гелевые матрасы также содержат вещество, известное как материал с фазовым переходом (PCM). PCM — нетоксичное, негорючее вещество, которое помогает регулировать температуру тела и поглощать избыточное тепло тела.Некоторые другие материалы, которые используются в матрасе из пены с эффектом памяти для увеличения охлаждающей способности, включают медь, бамбук и ячеистое волокно.

Медь

Медь имеет третье место по теплопроводности среди всех известных материалов со значениями, измеренными при 386 Вт / мК. Ее значения проводимости в 20 000 раз выше, чем у обычного пенополиуретана, поэтому при добавлении в матрас медь может существенно повысить свои теплопередающие способности. Высокая теплопроводность и эффузивность меди делают ее отличным дополнением к матрасу, которое способствует теплообмену и повышает уровень конвекции.Медь является естественным антибактериальным металлом, который помогает предотвратить рост грибков и бактерий на матрасе. Добавление незначительных количеств меди в матрас из пены с эффектом памяти может иметь большое влияние на его тепловые характеристики.

Бамбук

Бамбуковый наматрасник — еще одно дополнение, которое может увеличить тепловую эффузию и способствовать более эффективной передаче тепла. Бамбук — это натуральный материал, состоящий из молекул, чрезвычайно проницаемых для воздуха и влаги, что позволяет ему обладать впечатляющей способностью отводить влагу (в 2 раза сильнее, чем у хлопка).Бамбуковый чехол может помочь создать сухую и комфортную среду для спящего и может быть использован поверх матраса любого размера и разновидности.

Волокно Celliant

Celliant fiber — синтетический материал, состоящий из 13 природных минералов в сочетании с полимерной смолой. Этот материал предназначен для поглощения энергии, выделяемой телом, и преобразования ее в инфракрасную энергию путем изменения длины волны. Эта передовая технология разработана для улучшения окисления тканей человека, регулирования температуры тела и улучшения кровообращения.Покрытия из волокна Celliant в основном состоят из полиэстера с добавлением минералов и составляют примерно 1/5 толщины матраса. Согласно клиническим испытаниям, проведенным в Калифорнийском университете в Ирвине, люди, спящие с клетками, проводят меньше времени после засыпания после сна, чем спящие без клеток. Способность сотового покрова превращать избыточное тепло тела в инфракрасное излучение, по-видимому, напрямую снижает температуру поверхности сна и позволяет пользователю спокойно отдыхать.

Рис. 4. Схема, показывающая, как матрасы Celliant могут преобразовывать тепло тела в энергию инфракрасного излучения.

Дополнительные методы

Некоторые дополнительные способы понизить температуру в помещении для сна — это освободить пространство вокруг матраса, чтобы обеспечить больший поток воздуха.Дополнительный поток воздуха может способствовать конвекции и теплопередаче, что приведет к перемещению горячего воздуха, захваченного внутри матраса, наружу и привлечению более холодного воздуха. Каркас кровати из цельного дерева также может затруднить циркуляцию воздуха по матрасу. Металлический каркас кровати или отсутствие каркаса — лучший вариант для увеличения воздушного потока и термической эффузии.

Заключение

Поскольку кажется, что мир с каждым днем ​​вращается все быстрее и быстрее, сейчас как никогда важно поддерживать здоровье тела, получая правильное количество сна.Выбор правильного матраса, который будет способствовать долгому и комфортному сну, может оказаться сложной задачей. По мере того, как технологии продолжают развиваться, усложняется такая простая вещь, как матрас. Комфортная температура для сна — один из наиболее важных аспектов хорошего сна, и на него может повлиять материал, из которого сделан матрас. Выбор матраса из материала с высокой теплопроводностью и термической эффузией может помочь создать более прохладную и комфортную атмосферу для сна, которая может дать организму отдых, необходимый для правильного функционирования.

Список литературы

Польза для здоровья от сна на меди . (нет данных). Получено с https://ayercomfort.com/blogs/articles/health-benefits-of-copper

.

Агентство общественного здравоохранения Канады . (2019, 14 марта). Правительство Канады. Получено с https://www.canada.ca/en/public-health/services/publications/healthy-living/canadian-adults-getting-enough-sleep-infographic.html

.

Наука, лежащая в основе лучшего ночного сна, клетчатка Celliant .(нет данных). Получено с https://www.havenmattress.ca/blogs/natural-plant-based-memory-foams-make-for-better-sleep/the-science-behind-a-better-nights-sleep-celliant-fiber

.

Что лучше: матрас из латекса или пены с эффектом памяти? (20 июля 2018 г.). Получено с https://www.mysleepyferret.com/latex-vs-memory-foam-mattress/

.

Шерсть против пуховых одеял . (нет данных). Получено с https://www.thewoolroom.com/us/blog/wool-vs-down-comforters/

.

Маджумдар, А., Mukhopadhyay, S., & Yadav, R. (2010). Тепловые свойства трикотажных полотен из хлопка и регенерированных бамбуковых целлюлозных волокон . Международный журнал тепловых наук, 49 (10), 2042-2048. DOI: 10.1016 / j.ijthermalsci.2010.05.017

Источники изображений:
pixabay.com
https://oursleepguide.com/
https://www.topmattress.com/

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Микрочастицы собачьей шерсти / полиуретановый композит для теплоизоляции

Abstract

Эко-композитная пена на основе полиуретана (ПУ) была приготовлена ​​с использованием волокон собачьей шерсти в качестве наполнителя.Волокна были приобретены в зоомагазинах и обработаны щелочью перед использованием. Исследовано влияние их внедрения на морфологические, термические и механические свойства пенополиуретана. Случайное и беспорядочное присутствие микроволокон вдоль пены влияет на их механические характеристики. Прочность на растяжение и сжатие была улучшена за счет увеличения количества микрочастиц собачьей шерсти на экокомпозитах. То же самое произошло с гидратационной способностью пен. Теплоемкость также была немного увеличена за счет включения наполнителей.Наполнители также увеличивают термическую стабильность пен, уменьшая их расширение при нагревании. Наилучшая структурная стабильность была получена при температуре до 120 ° C с максимальным содержанием наполнителя 15%. В конце концов, отходы собачьей шерсти были рационально использованы в качестве наполнителя в пенополиуретане, что продемонстрировало их потенциал для применения в качестве изоляционных материалов с низкой стоимостью и минимальным воздействием на окружающую среду.

Ключевые слова: волокна собачьей шерсти, наполнители, полиуретан, экокомпозиты, возобновляемые ресурсы

1.Введение

Согласно оценкам, мировое потребление энергии вырастет на 53% в течение следующих 10 лет [1]. Один из самых простых и экономически эффективных способов снизить энергопотребление и выбросы парниковых газов — это изоляция здания. При правильном выборе эффективная изоляция может сэкономить энергию, требуя меньше охлаждения помещения летом и отопления зимой, тем самым сокращая использование природных ресурсов (например, нефти и газа) [2]. Теплоизоляция достигается с помощью материала или композитных материалов, обладающих высокой термической стойкостью.За прошедшие годы было предложено и испытано множество вариантов, включая стекловолокно, минеральную вату и пенопласт (например, полиуретан, ПУ и поливинилхлорид, ПВХ) [3].

ПУ состоит из жестких и гибких сегментов, что придает пенополиуретанам универсальные свойства и легкий вес, что делает их особенно полезными для изоляции. Их получают реакцией между полифункциональными спиртами (полиэфиром полиола или сложным полиэфиром полиола) и полиизоцианатом [4]. Их вспенивание возможно из-за производства вспенивателя (например, пенообразователя).g., углекислый газ) во время экзотермической полимеризации, который остается заключенным внутри материала и обеспечивает изоляционные свойства пены [5,6]. В зависимости от количества, пропорций и характеристик компонентов можно выделить три категории пенополиуретана: гибкие, полужесткие и жесткие, причем последняя является предпочтительной для целей изоляции из-за ее высокой степени сшивки и закрытых ячеек. структура, хорошая механическая и химическая стойкость, низкая плотность и низкая адсорбция воды [7]. Кроме того, показатель R (показатель того, насколько хорошо двумерный барьер противостоит проводящему потоку тепла) жестких пенополиуретанов является одним из самых высоких среди изоляционных материалов, что обеспечивает эффективное удержание тепла и / или постоянный контроль температуры в охлаждаемых средах. [8].

В последние годы разработка композитных пен на основе полиуретана с междисциплинарными функциями значительно расширилась с целью повышения их механических характеристик, расширения сферы их применения и защиты окружающей среды за счет использования меньшего количества полиуретана [9,10]. Натуральные волокна привлекают большое внимание как потенциальные армирующие материалы для композитов из-за их доступности, способности к биологическому разложению и низкой стоимости [11]. Эти волокна были задействованы в растущем типе полимерных композитов, экокомпозитах, которые описывают комбинации материалов с экологическим и экологическим потенциалом и / или производятся с использованием материалов из возобновляемых ресурсов [12,13,14].До сих пор растительные волокна, такие как лен, конопля, джут и кенаф, были наиболее изучены из-за их низкой плотности, изменчивых механических свойств и внутренней способности к биоразложению [15,16,17]. Однако волокна животного происхождения также начинают демонстрировать свой потенциал. Было показано, что перьевые кератиновые волокна обладают полой структурой, заполненной воздухом, что отвечает за их низкую плотность и низкую диэлектрическую проницаемость, свойства, которые очень желательны для композитов для электронных или автомобильных приложений [18,19].Шелковые волокна были исследованы для производства композитов для тканевой инженерии благодаря их повышенной стойкости к окислению и улучшенным антибактериальным свойствам и свойствам защиты от ультрафиолетового излучения [20]. Отходы животного происхождения, такие как шерстяные волокна, также были успешно внедрены в полимерную пленкообразующую матрицу из ацетата целлюлозы с потенциальным применением в упаковочной и сельскохозяйственной промышленности [21].

Несмотря на то, что это безвредное для окружающей среды решение по утилизации отходов животноводства, по этой теме опубликовано очень мало отчетов.

В данной работе мы исследуем использование отбракованных волокон собачьей шерсти в качестве армирующего агента при производстве экокомпозитов на основе полиуретана для теплоизоляции. По данным Статистического института Бразилии (IBGE), в стране насчитывается 52 миллиона домашних питомцев. Цель состояла в том, чтобы определить эффективность этой смеси и возможности использования отходов животноводства в промышленности. Насколько известно авторам, это первый отчет об использовании волокон собачьей шерсти в качестве усиления в экокомпозитах на основе полиуретана.Касторовое масло из полиуретана комбинируют с различными процентными содержаниями волокон. Полученные экокомпозитные пены были охарактеризованы с точки зрения их физических, термических и механических свойств в свете желаемого применения.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Respan, полуэластичный и биоразлагаемый полиуретан из смолы касторового масла (PU), приобретенный у Resichem Chemicals LTDA (Сан-Паулу, Бразилия), был использован в качестве матрицы. Касторовое масло — это растительное масло, отжатое из клещевины.Волокна собачьей шерсти использовались в качестве армирования и были собраны в зоомагазинах в столичном районе города Натал (Натал, Бразилия). ПУ использовали в качестве контроля. Все остальные химические вещества были приобретены у VWR International и использовались без дополнительной очистки.

2.2. Обработка волокон собачьей шерсти

Волокна собачьей шерсти сначала промывали 0,05 М раствором гидроксида натрия (NaOH) для удаления примесей, присутствующих на поверхности, и сушили при 50 ° C в течение 24 часов. После этого их измельчали ​​в микрорезке (Urschel, Chesterton, IN, USA) для получения микрочастиц с размером сита 30 меш.

2.3. Приготовление экокомпозитов

Микрочастицы собачьей шерсти были тщательно перемешаны с полуэластичной полиуретановой смолой с использованием промышленного смесителя, чтобы гарантировать однородность структуры композита. Затем смесь вылили в стальную форму, которая была плотно закрыта, и подвергли контролируемому процессу расширения, чтобы вызвать сильное взаимодействие между матрицей и арматурой (). Изготовлены экокомпозитные плиты размером 30 × 30 × 1 см 3 и различным соотношением волокон в их составе ().Затем были изготовлены пластины из 100% ПУ, которые использовались в качестве контроля.

( a ) микрочастицы волокна, ( b ) смесь полиуретановой смолы и микрочастиц волокна и ( c ) эко-композит.

Таблица 1

Состав экокомпозитов.

Эко-композит (%) Собачья шерсть (г) Полиуретан (г)
5 12,5 237,5
10 25.0 225,0
15 37,5 212,5
20 50,0 200,0

2,4. Сканирующая электронная микроскопия (SEM)

Морфологические анализы волокон и экокомпозитов были выполнены с использованием SEM TM 3000 HITACHI (Hitachi, Chiyoda, Tokyo, Japan). Электронные изображения обратного рассеяния были реализованы с ускоряющим напряжением 15 кВ, что позволило визуализировать распределение волоконного армирования вдоль полимерной матрицы.

2,5. Распределение частиц по размерам

Распределение частиц по размерам проводили в лазерном дифракционном анализаторе размера частиц модели CILAS 1180 (Cilas, Орлеан, Франция) при длине волны лазерного излучения 635 нм. Оборудование способно измерять частицы размером от 0,04 до 2500 мкм. Распределение образцов по размерам было определено на основе теории дифракции Фраунгофера и выражено как частота (%) в зависимости от диаметра частиц (мкм). Измерение проводилось с образцами 0.2 г в соответствии со стандартом BS ISO 13320: 2009.

2.6. Инфракрасный преобразователь Фурье (FTIR)

FTIR-спектры экокомпозитов с различным процентом усиления были собраны с использованием спектрометра Shimadzu, модель FTIR-8400S, IRAffinity-1 (Shimadzu, Киото, Япония) в сочетании с ослабленным полным отражением ( ATR), однократное отражение PIKE MIRacle ™ с кристаллом ZnSe (PIKE Technologies, Мэдисон, Висконсин, США). Спектры были получены в диапазоне 4000–500 см –1 , из 30 сканирований с разрешением 4 см –1 .Все измерения были выполнены в трех экземплярах.

2.7. Тепловые свойства

Тепловые свойства в образцах полиуретана на колесиках были определены с использованием оборудования KD2 Pro (Decagon Devices, Pullman, WA, USA) в сочетании с двойной иглой Sh2 термодатчика, в которой для измерения температуропроводности используется метод переходного линейного источника тепла. , удельная теплоемкость (теплоемкость), теплопроводность и тепловое сопротивление. Все анализы проводились при комнатной температуре в соответствии со стандартами ISO EN 31092-1994.Для каждого образца было взято в среднем 10 показаний, и данные были представлены как среднее ± стандартное отклонение. ТГА выполняли на модели DTG-60H (Shimadzu, Киото, Япония) с использованием платиновой чаши. График ТГА получали в диапазоне 30–300 ° C в атмосфере азота, скорости потока 50 мл / мин и повышении температуры 10 ° C / мин. Результаты были представлены как процент потери массы в зависимости от температуры. DSC проводился на приборе Power Compensation Diamond DSC (Perkin Elmer, Уолтем, Массачусетс, США) с внутренним охладителем ILP на основе стандартов ISO 11357-1: 2016, ISO 11357-2: 1999 и ISO 11357-3: 1999.Образцы сушили при 60 ° C в течение 1 ч и перед испытанием помещали в алюминиевый поддон для образцов. Анализ проводился в атмосфере азота при скорости потока 50 мл / мин. Анализ ДСК проводился в три этапа: первый нагрев, охлаждение и второй нагрев, все со скоростью нагрева 10 ° C / мин, чтобы исключить термическую предысторию образцов. Термограмма была получена в диапазоне от 20 до 500 ° C.

2,8. Механические свойства

Прочность на разрыв и способность к сжатию экокомпозитов были исследованы с использованием универсальной испытательной машины X 300KN (Shimadzu, Киото, Япония).Предел прочности на разрыв экокомпозитов определяли в соответствии с ASTM D3039 с образцом толщиной 3 мм и шириной 25 мм (75 мм 2 поперечного сечения) и испытанием на сжатие в соответствии с NBR 8082. При сжатии При испытании деформация измерялась при включении машины для уменьшения толщины образца на 10% при скорости 0,25 см / мин. Он был рассчитан по формуле R c = F / A, где R c — прочность на сжатие при 10% деформации (Па), F — сила (Н), а A — зона испытания. образца (м 2 ).

2.9. Водопоглощающая способность

Водопоглощающая способность экокомпозитов была измерена в соответствии с ASTM D2842. Для каждого экокомпозита использовалось три повтора. Образцы сначала сушили при 50 ° C в течение 24 ч, затем переносили в эксикатор и оставляли на 15 мин, пока они не достигли комнатной температуры. Образцы взвешивали в сухом состоянии (mdry). После этого они были погружены в дистиллированную воду ( d H 2 O) и измерялись непрерывно (24 случайных интервала) до достижения насыщения.Точку насыщения определяли, когда вес образца достиг постоянного значения (mwet). Гидратационная способность образцов определялась с использованием уравнения (1):

% абсорбированной воды = mwet-mdrymdry × 100

(1)

2,10. Дилатометрия

Коэффициент теплового расширения образцов определяли на приборе NETZSCH model DIL 402 PC (Netzsch, Selb, Германия). Были изготовлены образцы размером 25 мм в длину и 8 мм в диаметре. Испытания проводились в потоке газообразного аргона со скоростью 5 мл / мин при градиенте нагрева от комнатной температуры до 170 ° C.Скорость нагрева составляла 5 ° С / мин.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Размер частиц и морфология экокомпозитов.

Были сделаны микрофотографии SEM волокон собачьей шерсти в их естественном состоянии (необработанные), обработанных NaOH и объединенных с полиуретановой смолой в качестве армирующего материала для образования экокомпозитов (). Как и ожидалось, были существенные различия между волокнами до и после обработки NaOH. Примеси, присутствующие вдоль волокон (а), были удалены после промывки NaOH, что показало эффективность этой щелочной обработки и оставило поверхность чистой и нетронутой (без признаков разложения, b) с желаемой открытой структурой, способной взаимодействовать с полимерной матрицей. .Включение волокон в матрицу PU было доказано в d. Как можно видеть, пористость и морфология композита при содержании волокон до 15% (е) существенно не отличались от чистой полиуретановой смолы (с). Пенополиуретан отличается очень пористой структурой. Средний размер пор (среднее значение из 50 измерений) композита составлял 84 ± 50 мкм, а размер пор чистого полиуретана составлял 83 ± 40 мкм. При содержании волокна 20% структура ПУ становилась нестабильной с крупными (~ 0,5 мм) схлопывающимися структурами и отверстиями ~ 0.2 мм вокруг волокон. Несмотря на то, что распределение и ориентация волокон были случайными, они преимущественно обнаруживались в компактных областях, как внутри, так и на границах ячеек пены. Аналогичные результаты были получены с композитами из жесткого пенополиуретана, армированного остатками целлюлозного волокна [5].

СЭМ-микрофотографии волокон собачьей шерсти ( и ) в их естественном состоянии и ( b ) после обработки 0,05 М NaOH. Микрофотографии чистого PU ( c ), PU + 10% волокон ( d ), PU + 15% волокон ( e ) и PU + 20% волокон ( f ) при 100 × увеличение.

Что касается размера, волокна собачьей шерсти считались микрочастицами. По данным, полученным от, они были очень неоднородными по размеру, варьировались от 1 до 700 мкм, при этом наибольшее количество составляло от 30 до 40 мкм. Этой неоднородности следовало ожидать, поскольку отходы собачьей шерсти были собраны в различных зоомагазинах, в которых использовались различные виды обработки шерсти и режущие инструменты. Эти факторы могут затем обусловить точность микросрезы и, следовательно, процесс заземления.

Распределение микрочастиц собачьей шерсти по размеру.

3.2. ATR-FTIR Spectra

Спектральные профили экокомпозитов, образованных из полиуретана и различного количества микрочастиц собачьей шерсти, показаны на рис. Между 3200–3450 см –1 располагалась одна из важнейших полос ПУ. Это было приписано симметричным и асимметричным валентным колебаниям N-H групп уретана и мочевины, которые возникают в результате реакции между водой и изоцианатом [22]. Однако, как видно из спектра волокон собачьей шерсти, большой пик при 3300 см -1 типичен для валентных колебаний –NH групп в кератине [23].По мере увеличения количества волокон собачьей шерсти в композите эта область становилась шире, что указывает на большее количество межмолекулярного водорода, продвигаемого этими микрочастицами [24]. Очень маленький пик, соответствующий C – H-валентному соединению алифатического CH = CH, был идентифицирован при 3008 см −1 , в то время как при 2950 и 2850 см −1 наблюдались асимметричные и симметричные валентные колебания C – H, соответственно. . Пик около 2270 см -1 , связанный с валентными колебаниями NCO-группы изоцианата, был обнаружен во всех составах.Однако это было более важно в тех экокомпозитах, которые содержат большее количество микрочастиц собачьей шерсти. Это свидетельствует о наличии непрореагировавшего изоцианата [25]. Пики при 1710, 1240 и 1070 см −1 относятся к валентным колебаниям C = O и C – O сложноэфирных групп, а перекрывающиеся полосы между 1540 и 1517 см −1 могут быть отнесены к валентные и деформационные колебания C – N и N – H уретановых фрагментов соответственно. Эти два пика также можно отнести к валентным колебаниям C – N и N-H изгибным колебаниям амида II в шерстяных волокнах.Это объясняет возрастающую четкость и четкость этих двух пиков по мере увеличения процентного содержания волокон собачьей шерсти в эко-композите [26]. Можно наблюдать очень небольшое увеличение композиции пика при 1650 см -1 . Этот пик в спектре собачьей шерсти приписывается α-спирали кератиновой структуры [27]. Этот пик можно рассматривать как прямую меру присутствия волокна в композите.

ATR-FTIR спектры чистых полиуретанов и собачьей шерсти (DW), а также экокомпозитов, содержащих от 5% до 20% микрочастиц собачьей шерсти.

3.3. Термические свойства

Стадии разложения, связанные с повышением температуры, были идентифицированы на ПУ и экокомпозитах на основе ПУ с помощью ТГА (). В чистой собачьей шерсти наблюдалась потеря веса от 25 до 100 ° C из-за испарения включенной воды. Второе разложение, начинающееся примерно при 200 ° C, может быть связано с денатурацией и деградацией молекул кератина. Согласно литературным данным, дисульфидные связи разрываются при температуре от 230 до 250 ° C [28].В композите, но не в чистом полиуретане, первая очень небольшая стадия разложения была обнаружена между 25 и 100 ° C (вставка) и относится к начальному улетучиванию влаги из пен из-за испарения или дегидратации гидратированных катионов [ 29,30]. Этот шаг был более важным для армированных волокном композитов из-за сродства шерстяных волокон к молекулам воды, что имеет тенденцию к увеличению удержания влаги [24,31]. Первая стадия разложения первичного ПУ была обнаружена при ≈260 ° C и была связана с расщеплением основной цепи полимера ПУ, начинающимся с деградации полиольного компонента (уретановые цепи), а затем прогрессирующим до разложения изоцианатного компонента (сложноэфирные связи ) [32].При 300 ° C уже потеряно 12% исходной массы, а оставшиеся 88% разложились на амины, небольшие переходные компоненты и CO 2 [33]. Из-за включения волокон шерсти экокомпозиты были более подвержены разрушению. Это произошло потому, что волокна кератиновой шерсти, такие как волокна собачьей шерсти, начинают разлагаться при температурах выше 200 ° C. Фактически, с этого момента происходит денатурация спиральной структуры и разрушение цепных связей, пептидных мостиков и деградация скелета.При температурах, близких к 300 ° C, происходит несколько химических реакций, при которых волокна разлагаются на более легкие продукты и летучие соединения, такие как CO 2 , H 2 S, H 2 O и HCN [34]. Из всех составов экокомпозиты, содержащие 5% микрочастиц собачьей шерсти, были способны сохранять большую часть своей первоначальной массы, ≈ 91%, при 300 ° C.

ТГА нетронутого полиуретана, собачьей шерсти (DW) и экокомпозитов, содержащих 5, 10, 15 и 20% микрочастиц собачьей шерсти, измеренные при температуре от 25 до 300 ° C, при скорости нагрева 10 ° C / мин. в атмосфере азота.На вставке изображена начальная часть ПУ и композитов ПУ при температуре от 25 до 130 ° C.

Термограммы ДСК композитов на основе полиуретана и полиуретана, приготовленных с различным процентным содержанием микрочастиц собачьей шерсти, были получены при температуре от 20 до 500 ° C (). Первый цикл нагрева между 20 и 120 ° C (а) и цикл охлаждения между 120 и 20 ° C (б) не показал каких-либо значительных событий. Во втором цикле нагрева (c) первый эндотермический пик для PU был обнаружен при ≈300 ° C, что, как было показано ранее, связано с расщеплением основной цепи полимера PU, инициируемым уретановыми цепями и продолжающимся до сложноэфирных связей. .В d можно наблюдать детали второго цикла нагрева между 100 и 180 ° C. В этой области на всех термограммах относительно твердых уретановых сегментов наблюдается T g [35]. Однако T г композитов, начиная с содержания собачьей шерсти 10%, были ниже (~ 150 ° C), чем соответствующий контроль PU (~ 160 ° C) и 5% композит. Похоже, что присутствие волокон повлияло на состояние кристалличности в матрице PU за счет снижения T g в сторону более низких температур.Эти T g очень малы, поскольку полиуретан в основном аморфен, и предполагают, что волокна улучшают подвижность мягкого сегмента в PU, уменьшая взаимодействия водородных связей [36]. Для эко-композитных пен первый эндотермический пик произошел раньше, при ≈220 ° C, с начальной денатурацией спиральной структуры шерстяных волокон и разрушением звеньев цепи. При температурах от 300 до 340 ° C основные полимерные цепи в экокомпозите начали разрушаться вместе с остальными компонентами шерстяных волокон.Эти данные согласуются с наблюдениями TGA. Последний пик эндотермы, зарегистрированный для всех пен, был обнаружен около 460 ° C и может быть отнесен к окончательной деградации оставшихся остаточных полимерных цепей и волокон собачьей шерсти на уголь, небольшие переходные компоненты и летучие вещества [33,34].

Термограмма DSC исходного полиуретана и экокомпозитов, содержащих 5, 10, 15 и 20% микрочастиц собачьей шерсти, собранных при скорости нагрева 10 ° C / мин в атмосфере азота.( a ) Первый цикл нагрева от 20 до 120 ° C, ( b ) первый цикл охлаждения от 120 до 20 ° C, ( c ) второй цикл нагрева от 20 до 500 ° C. ( d ) Деталь второго цикла нагрева между 100 и 180 ° C, показывающая T g .

В вспененных системах преобладающими режимами теплопередачи являются тепловое излучение и теплопроводность газ-газ и твердое тело. В пенополиуретане общая проводимость составляет около двух третей от проводимости застойного воздуха, потому что внутри пенопласта находится газ с низкой проводимостью или пенообразователь [33].Здесь добавление шерстяных волокон к экокомпозитам мало повлияло на теплопроводность пен (), поддерживая значения в ожидаемых диапазонах, желательных для теплоизоляции и приближенных к значениям полистирола (один из наиболее распространенных материалы, применяемые в теплоизоляции) [37,38,39]. Термическая или теплоемкость измеряет количество энергии, необходимое для повышения температуры материала на один градус. Данные снова демонстрируют, что ПУ и экокомпозиты имеют очень похожие значения.Однако добавление 20% микрочастиц собачьей шерсти увеличивало теплоемкость композита по сравнению с исходным полиуретаном. Следовательно, этот состав требует большего количества тепла для возникновения колебаний температуры, что позволяет более эффективно поддерживать изоляцию. Температуропроводность описывает скорость распространения температуры через материал и является функцией теплопроводности и теплоемкости. Таким образом, поскольку теплопроводность была самой низкой у экокомпозитов, содержащих 20% волокон собачьей шерсти, то же самое произошло и с температуропроводностью.Было показано, что температуропроводность зависит от организации вспенивающих ячеек, их размеров и типа применяемого вспенивающего агента [40]. Здесь вполне вероятно, что случайное расположение микрочастиц вдоль полимерной матрицы могло поставить под угрозу эти конкретные термические свойства. Наконец, чтобы быть классифицированным как изоляционный материал, пенопласт должен обладать высоким термическим сопротивлением. Данные показывают, что термическое сопротивление немного снизилось при добавлении волокон собачьей шерсти.Несмотря на то, что эти значения приемлемы для теплоизоляции, кажется, что при увеличении процентного содержания волокон в экокомпозите это свойство также улучшается. Таким образом, будущие исследования будут проведены для подтверждения этой предпосылки.

Таблица 2

Основные термические свойства чистого ПУ и экокомпозитов ( n = 3, S.D. ± 3).

Образцы Теплопроводность
(Вт / мк)
Тепловая емкость
(МДж / м 3 к)
Температурная диффузия
2 / с)
Тепловое сопротивление C см / Ш)
УЕ 0.053 ± 0,004 0,561 ± 0,045 0,091 ± 0,003 1878,5 ± 153,3
5% DW 0,064 ± 0,006 0,454 ± 0,015 0,141 ± 0,016 1576,0 ± 153,3
10% DW 0,070 ± 0,002 0,603 ± 0,048 0,122 ± 0,006 1411,5 ± 61,7
15% DW 0,063 ± 0,002 0.530 ± 0,046 0,120 ± 0,009 1590,0 ± 38,2
20% DW 0,061 ± 0,002 0,615 ± 0,053 0,098 ± 0,012 1647,5 ± 45,4

3,4. Механические свойства

Пенопласты при растяжении и сжатии измеряли с добавлением и без добавления микрочастиц собачьей шерсти (и, соответственно). ПУ показал самый высокий процент удлинения из протестированных составов (≈50%), хотя и требовал меньшего напряжения (≈1.25 МПа) разрушаться, чем напоминающие экокомпозиты. Фактически, при добавлении только 5% микрочастиц собачьей шерсти напряжение, необходимое для достижения аналогичного состояния удлинения (≈46%), было почти вдвое, ≈2 МПа (). Такое поведение объясняется установившимися взаимодействиями между полимерной матрицей и массивами волокон, которые привели к дезорганизации исходной структуры ПУ. При этом процентном соотношении были вызваны небольшие изменения в морфологии пены. Возможно, микрочастицы мигрировали и заполнили существующие дефекты, увеличивая силу, необходимую для разрушения материала.Повышение жесткости было зарегистрировано при повышенном процентном содержании волокон собачьей шерсти. Это связано с более высокой жесткостью твердой фазы пены из-за вклада волокна [5]. Из-за неоднородной и неорганизованной ориентации и распределения волокон вдоль композита, не было никакой пропорции между приложенной силой, относящейся к удлинению и процентной долей армирования волокнами.

Зависимость напряжения (МПа) от относительного удлинения при разрыве (%) исходного полиуретана и экокомпозитов, армированных собачьей шерстью.

Напряжение сжатия в зависимости от деформации чистого полиуретана и экокомпозитов, армированных собачьей шерстью.

Несмотря на то, что 5% -ные экокомпозиты продемонстрировали наиболее сбалансированные характеристики между приложенным напряжением и способностью к удлинению (), их сопротивление сжатию было самым низким из группы (). Вероятно, перестройки, которым подверглась полимерная пена для размещения волокон, способствовали развитию анизотропного материала, в котором механическое сопротивление было более важным в одном направлении, чем в другом [41].Кроме того, этому явлению могло способствовать наличие зазоров вдоль пены в ответ на добавление микрочастиц и изменения исходной структуры полиуретана. Нарушения в организации пен с большей вероятностью будут возникать в композитах, содержащих меньшее количество армирующих волокон, чем большее [5]. В свою очередь, повышенное процентное содержание наполнителя может вызвать снижение реакционной способности компонентов в системе, влияя на расширение пены и увеличивая ее плотность и жесткость, следовательно, повышая прочность на сжатие [42].Таким образом, ожидалось, что композит с наибольшим процентным содержанием наполнителя (20%) будет выдерживать максимальное напряжение сжатия до деформации.

3.5. Емкость по гидратации

Водопоглощающая способность исходного полиуретана и экокомпозитов, армированных собачьей шерстью, отслеживалась в течение шести дней в d H 2 O, при этом образцы взвешивались каждые 24 часа до достижения водонасыщенности. Данные показали, что чистый ПУ является пенообразующим материалом с наименьшей гидратационной способностью, достигающим состояния насыщения только с 4% воды в его составе.Экокомпозиты оказались более привлекательными для молекул воды, поскольку их гигроскопическая способность увеличивалась по мере увеличения процента микрочастиц, то есть с 5% содержания воды в экокомпозитах из собачьей шерсти с 5% до 11% содержания воды, зарегистрированного для 20%. армированный собачьей шерстью эко-композит. Эти результаты объясняются способностью шерстяных волокон связывать и поглощать большое количество воды [31]. Водопроницаемость шерстяных волокон определяется в основном липидами клеточных мембран. Однако на этом фронте еще многое предстоит понять.Взаимодействие между волокнами и водой довольно сложное; при низкой относительной влажности монослой молекул воды может быть сформирован за счет взаимодействия с определенными полярными боковыми цепями волокна, в то время как при высокой относительной влажности вода связывается с пептидным каркасом волокна, создавая многослойное поглощение. Набухание волокна также происходит в результате разрыва водородных связей между и внутри белковых цепей из-за того, что молекулы воды поднимаются над поверхностью и внутри межклеточного пространства; таким образом, создается еще больше мест взаимодействия для молекул воды [43,44].

Водопоглощающая способность безупречного полиуретана и экокомпозитов, усиленных собачьей шерстью, с течением времени.

3,6. Дилатометрия

Термическое расширение определяется как увеличение объема материала в ответ на повышение температуры. С повышением температуры молекулярное перемешивание увеличивается, тем самым увеличивая расстояние между молекулами.