коэффициент теплопроводности насыпного керамзита, сравнение с пенополистиролом и минватой
Керамзит или, как в народе говорят, «мелкие камушки» — это сыпучий материал, состоящий из сделанных из керамики окатышей, обожженных при высокой температуре. Сделано вещество из глиняного материала и обладает не только низкой теплопроводностью при определенных условиях, но и является неплохим звукоизоляционным материалом. Строители утверждают, чтобы при отделке помещения керамзит соответствовал предъявляемым к нему требованиям (не пропускал тепло или звук), нужно учитывать ряд его особенностей.
Основные факторы
Дело в том, что для низкой пропускной способности тепла и звука керамзит нужно при укладке укладывать так, чтобы между гранулами не было пустот, через которые уходит тепло и звук. И этот фактор игнорировать нельзя, в противном случае укладка вещества будет напрасной.
- гравий – это круглые зерна вещества, размер которых варьирует от 2 до 4 см.;
- щебень из керамзита – это слегка измельченный гравий, размер которого равен 12 см.;
- керамзитовый песок – это напоминающая зерна фракция, достигающая в размере 0,51 см.
От представленных выше разновидностей этого строительного материала напрямую зависит его теплопроводность.
Если использовать для утепления какую-либо одну представленную выше разновидность, то показатель ее теплопроводности будет колебаться в пределах от 0,1 до 0,18 Вт/ (м×К). Поэтому для качественного утепления используется преимущественно смесь всех допустимых разновидностей.
Коэффициент
- Обладает определенным свойством шумоизоляции, коэффициент качества которой ниже, чем, например, у ваты.
- Небольшой вес керамзитовых окатышей не привязан к его объему, что нужно учитывать при утеплении веществом пола. Дело в том, что для утепления всей квартиры понадобится много вещества, которое плиты выдержат, а деревянное перекрытие может и не выдержать. Толщина досок в таких случаях должна быть не меньше 25 мм.
- Не все так просто и с прочностью керамзита. Если наступить на рассыпанных по полу несколько камешков, то они разломятся. А если пройтись по полу, который устлан относительно тонким слоем, то камушки не деформируются.
Получается, что сам по себе материал прочностью и процентом утепления не обладает. Улучшается качество отмеченных показателей с повышением насыпного слоя.
Сравнение с другими материалами
Все-таки керамзит обладает рядом преимуществ, благодаря которым он активно используется в строительстве. Например, в отличие от минваты, которая со временем дает осадку, керамзит, при правильном использовании, не теряет своей первоначальной формы около 60 лет. Под правильной эксплуатацией подразумевают в работе с веществом соблюдение его характеристик (например, не стоит ходить по керамзиту, насыпанному тонким слоем). В сравнении с материалами из пенополистирола, керамзит обладает высокой устойчивостью к огню, а также ему присуща устойчивость к температурным колебаниям. Необходимо отметить, что пенополистерол не обладает такой прочностью как керамзит. Он быстро дает осадку и деформируется.
Кроме того, этот материал разрушается под воздействием лакокрасочных материалов, а также он плохо пропускает воздух, что нередко становится причиной затхлости. Не страшны материалу высокие морозы крайнего севера – он способен выдержать около 300 циклических перепадов температур. Эта особенность стала причиной, по которой материал добавляют в цементные растворы для улучшения стяжки плит, что также частично исключает вероятность проникновения холода снаружи и улучшает шумоизоляцию. Цементные растворы, разбавленные керамзитом, обладают наиболее высокой прочностью.
К тому же керамзит, в отличие от пластика, при нагревании не выделяет токсины и резкие запахи. Кроме того, из-за вероятности осыпания, обходят стороной керамзитовые сооружения и грызуны (мыши и крысы). А также не свойственно материалу появление на нем плесени и различного рода грибков. Помимо всего прочего работа с керамзитом не вызывает сложностей даже у новичков в строительной отрасли. Засыпать им без хлопот можно площадь любой сложности. Получается, что керамзит так же, как и минвата или пенополистерол, обладает рядом своих плюсов и минусов. Находясь перед выбором материала, нельзя сказать, что один материал хуже, а другой лучше. Выбор будет зависеть от предпочтений хозяина (речь идет о необходимости и умении работать с материалом), а также немаловажную роль будет играть ценовая категория.
Утепляем стены. Что лучше керамзит или пенопласт?
Давайте рассмотрим преимущества и недостатки этих двух популярных утеплителей:
Что же такое «керамзит»? Из чего его производят?
Керамзит представляет собой гранулы размером от 1мм до 40 мм. Изготавливается керамзит методом обжига глины при температуре 1200С . Кусочки глины попадая в печь вспениваются и увеличиваются в размере в 2-3 раза, поэтому во фракциях образуются пузырьки воздуха, благодаря которым он служит хорошим утеплителем. К преимуществам керамзита можем отнести: морозостойкость, огнестойкость, прочность, и экологичность. В связи с тем, что производство керамзита происходит без применения химических добавок, этот материал считается природным строительным материалом.
Из недостатков можно выделить худшую теплопроводность и больший вес по сравнению с пенопластом.
Пенопласт изготавливается из полистирола, который при нагреве с другими добавками увеличивается в 30-35 раз, образуя гранулы округлой формы. К основным преимуществам пенопласта можно отнести: малый вес и отличную теплопроводность, которая выше чем у керамзита в 2-3 раза.
Казалось бы, выбор сделан, в пользу сохранения тепла. Но, о чем умалчивают производители и продавцы пенопласта?
Пенопласт изготавливается химическим способом и со временем начинает выделять стирол, а так же прочие химические элементы. Для того чтобы помещение проходило по всем санитарным нормам, нужна хорошая вентиляция помещения – а это влечет за собой дополнительный обогрев воздуха в холодные периоды.
Таким образом, сэкономленное тепло, при утеплении пенопластом будет потрачено на обогрев воздуха, а это дополнительные финансовые расходы электричества и газа. Так же при использовании этого материала существует вероятность появления грызунов, которые при недостатке еды могут употреблять его в пищу.
Итог: Взвесив все за и против, мы отдали свое предпочтение керамзиту так как данный материал «мышам не по зубам»,и по своему происхождению «близок к природе» а также не подвержен влиянию низких и высоких температур. Подробнее познакомиться с этим строительным материалом, а так же уточнить технические характеристики и стоимость керамзита вы можете на сайте производителя Самарского керамзита компании «Керамзит Плюс».
- < Назад
- Вперёд >
Добавить комментарий
Теплопроводность керамзита и от чего она зависит + Фото
Обновлено: 15 марта 2020
24473
Теплоизоляционные свойства керамзита хорошо известны и во многом определяются сырьем, из которого он производится. Удельная теплопроводность керамзита — одна из главных его характеристик, которая, вместе с малым удельным весом и прочностью, определяет широкое применение этого материала в строительстве.
Что влияет на теплопроводность керамзита
Для материалов, выполняющих защитные функции, теплопроводность — особенно важная характеристика. Для керамзита, как природного материала, она зависит от сочетания различных его качеств.
Во-первых, характеристика теплопроводности керамзита зависит от его фракции (размера гранул): чем крупнее гранулы, тем больше понадобится утеплителя. На теплопроводность влияют например, такие характеристики, как влажность и пористость керамзита. Средний коэффициент теплопроводности керамзита определить непросто из-за множества отклонений. В справочной литературе значение можно встретить данные что она колеблется в пределах 0,07-0,16 Вт/м.
Следует выбирать керамзит с минимальной теплопроводностью. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем большее количество тепла проходит через слой изолятора за определенное время и тем, соответственно, ниже его теплозащита. Таким образом, чем больше пористость керамзита, тем ниже его плотность, а также теплопроводность.
Керамзит гигроскопичен: с увеличением влажности он повышает свою теплопроводность и теряет свойства утеплителя, а с увеличением веса растет еще и нагрузка на перекрытия. Качественная гидроизоляция керамзита необходима для сохранения свойств, обеспечивающих сохранения тепла в вашем доме.
Итак, керамзит имеет теплопроводность, которая зависит от его фракции: с уменьшением размера керамзитового зерна уменьшается его пустотность, увеличивается насыпная плотность и увеличивается теплопроводность.
По размерам гранул керамзит делят на керамзитовый гравий, щебень и песок.
Керамзитовый щебень
Получают из вспученной керамзитовой массы методом дробления.
Керамзитовый гравий
Круглые или овальные частицы, получаемы в барабанной печи вспучиванием легкой глины. Обладает прочной плотной поверхностью, поэтому часто используется, в качестве наполнителя бетона. Обладает самым низким коэффициентом теплопроводности. К примеру, керамзитовый гравий 10-20 мм марки по насыпной плотности М350 и марки П125 по прочности (3,1 МПа) имеет коэффициент теплопроводности 0,14 Вт/(м°С).
Керамзитовый песок
Имеет фракцию до 5 мм и используется чаще всего для утепления.
Производственные процессы, влияющие на теплопроводность керамзита
Согласно результатам исследований, характеристики теплопроводности керамзита зависят от присутствия в нем кварца на определенном этапе производства и, в меньшей степени, от плотности и пористости материала. Напрашивается вывод, что на качество керамзита оказывает влияние метод его производства, поскольку стекловидный кварц появляется именно в ходе производственного процесса.
Заметим, что сам монокристаллический кварц обладает высокой теплопроводностью (6,9-12,2 Вт/м), которая целиком зависит от характеристик сырья. Из глины, обладающей хорошим вспучиванием, в фазе стеклообразования получается кварц, теплопроводность которого выше, чем у кварца из глины с худшим вспучиванием. Подобная зависимость распространяется также и на свойства керамзита.
Имеет значение также технология производства. Содержащийся в керамзите кремнезем способствует повышению теплопроводности, а другие оксиды, напротив, понижают ее. Это не распространяется на газы, которые образуются при нагревании глиняной массы до температуры вспучивания. Установлено, что при содержании в порах от 55% Н2+СО теплопроводность керамзита вдвое выше, чем при наполненности их воздухом.
На теплопроводность влияет также размер микропор: чем меньше поры, тем меньше теплопроводность. При этом, сама пористость при этом существенно на этой характеристике не сказывается.
Перечисленные выше характеристики, главным образом, зависят от способа производства. Обычный способ производства, как правило, не позволяет значительно изменять качество керамзита. Однако, современные способы производства (пластичный способ или «совместный обжиг») позволяют значительно увеличивать теплоизоляционные свойства этого материала.
При суммарном сравнении характеристик керамзита и пенопласта предпочтение отдается керамзиту, хотя теплопроводность пенопласта очень низка — 0,038-0,041 Вт/м.
Если вы заметили ошибку, не рабочее видео или ссылку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Теплопроводность керамзитобетона таблица
При выборе стройматериалов важно обратить внимание на теплопроводность, так как от нее будет зависеть энергоэффективность дома и предполагаемый бюджет. Отличными сберегающими свойствами обладает керамзитобетон. Рассмотрим теплопроводность керамзитобетона подробнее.
Для чего смотрят на коэффициент теплопроводности керамзита?
Керамзитный гравий
От этого показателя зависит толщина стен будущего дома или сооружения нежилого назначения. При проведении расчетов нужно сразу учесть, что материал отличается хорошими показателями теплосбережения. Опыты показали, что использование керамзитобетона в качестве материала стен строения снижает утрату тепла на 75%. Такой процент разрешает возводить дом с нетонкими стенами.
Основные характеристики
Таблица сравнения теплопроводности строительных материалов
Отличные тепло- и звукоизоляционные свойства материала (приведены в таблице выше) обусловлены его пористой структурой и плотностью. Это делает блоки достаточно легкими. При изготовлении керамзитобетона используется специальная технология отжига, подобная той, которая применяется при производстве кирпичей.
В основа блоков – раствор из цемента, воды, песчаного наполнителя и керамзитовых гранул. При этом основную роль играет именно концентрация и размеры последних в составе.
Что касается самой теплопроводности, то ее коэффициентом называется количество тепла, проходящего за час через определенный строительный элемент (тело). При этом данные указываются для тела с площадью основания в 1 м2 и толщиной в 1 м. Сопротивление материалов
При производстве самих блоков может варьироваться количество гранул в составе, создавая при этом элементы с нужными показателями. С их учетом керамзитобетонные блоки разделяют на:
- Конструкционные. Используются для сооружения несущих элементов здания.
- Теплоизолирующие. Имеют низкие показатели прочности, но зато обеспечивают высокую изоляцию.
- Конструкционно-теплоизолирующие. Имеют средние характеристики прочности и теплосбережения. В основном применяются для изготовления сборных панелей.
С увеличением размеров гранул керамзита в бетоне снижается способность материала пропускать тепло, что разрешает сооружать конструкции с узкими стенами в местах, где их уровень прочности будет достаточный, чтобы выдерживать возлагаемые нагрузки.
Такие характеристики материала – находка для строительства. При небольшой ширине стен и, соответственно, массе не требуется создания высокопрочного основания, что сокращает затраты на строительство.
Некоторые особенности материала и его коэффициент теплопроводности
Керамзитобетонный блок
Блоки из керамзитобетона – материала с продолжительным сроком службы, способны сохранять высокие характеристики прочности и теплоемкости на протяжении более 50 лет.
Размеры готовых элементов значительно ускоряют строительный процесс и при этом их кладку вполне можно выполнять собственноручно (без наличия специальной техники).
Размерные показатели определяются назначением блоков. Характеристики прочности зависят исключительно от цемента (М100-500).
| Показатели плотности, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м·°С) | |
| В условиях использования | Изначальные данные | |
| 500 | 0,17–0,23 | 0,14 |
| 600 | 0,20–0,26 | 0,16 |
| 800 | 0,24–0,31 | 0,21 |
| 1000 | 0,33–0,41 | 0,27 |
| 1200 | 0,44–0,52 | 0,36 |
| 1400 | 0,56–0,65 | 0,47 |
| 1600 | 0,67–0,79 | 0,58 |
| 1800 | 0,80–0,92 | 0,66 |
Сравнение теплопроводности в таблице
Если рассматривать разрез керамзитобетонного блока, то он внутри имеет множество ячеек с воздухом. Это обусловливает его высокие показатели теплосбережения. Стоит отметить и способность керамзита влиять на уровень влажности в помещении. Он ее вбирает при слишком большой концентрации и отдает в случаях, когда воздух излишне сухой. Именно по этой причине в доме из такого материала всегда будет оптимальная влажность воздуха.
Достоинства керамзита
Характеристики керамзитобетона в таблице
Также материал отличается:
- Полной безопасностью для здоровья. При проживании в сооружениях, возведенных и керамзита, не будет наблюдаться ухудшения состояния у членов семьи из-за воздействия на организм вредных веществ. Он экологически чист.
- Уменьшением трудозатрат на укладку блоков благодаря большому размеру элементов. При этом для выполнения работы нет надобности нанимать специальную технику или бригаду работников.
- Повышенной морозостойкостью (при условии использования высоких марок цемента) и высокой плотностью структуры. Уровень устойчивости к температурам зависит от конструктивного назначения элементов.
- Небольшой массой – снижает нагрузку на основание.
- Способностью продолжительное время сохранять отличные показатели.
- Паропроницаемостью. Дом из керамзита будет «дышать».
Выбирая для сооружения дома или другого строения керамзитобетонные блоки, можно получить прочную и долговечную конструкцию. Использование материала позволит в случае правильного подбора изоляции, отделки и других составляющих сооружения создать оптимальную среду для проживания человека. Только на стадии проектирования обязательно нужно правильно рассчитать ширину стен.
Что лучше для утепления пола
В наше время стоимость обогрева жилья и помещений вообще — постоянно повышается. При этом почему-то зарплаты остаются почти на месте — нехорошая тенденция, но с ней приходится считаться. В таких условиях практически каждого владельца дома или квартиры начинает волновать вопрос экономии энергии. Сегодня массово утепляются стены, полы, потолки, откосы — такие меры позволяют максимально эффективно распределять тепло по помещению за счет того, что снижается уровень теплопередачи здания.
В этой статье будет затронут такой нелегкий вопрос, как утепление пола — разберемся в том, что же лучше подходит для этого: минеральная вата или керамзит. В принципе часто применяют еще и пенопласт, но это не самый лучший вариант, потому что практически пропадает возможность вентиляции, проветривания перекрытия. Хотя, бесспорно, теплоизоляционные характеристики у пенопласта на высоте.
Итак, минвата и керамзит, что лучше — начать можно с обзора первого материала и на конкретных свойствах сравнить все.
Минеральная вата и ее свойства, особенности
Данный утеплитель представляет собой мягкие крупно-волокнистые плиты или рулоны. Делается этот материал на основе отходов из металла и углеродистых сплавов различных минералов типа базальта. По своей структуре это напоминает стекловату, только последняя значительно хуже в плане теплоизоляционных характеристик. В принципе, минвата применяется в строительстве достаточно широко и особенно она популярна при утеплении фасадов. Однако фасад — это не утепление пола — тут все-таки разная специфика.
Основными преимуществами этого утеплителя принято считать несколько моментов.
- Долговечность.
Достаточно спорное свойство, так как чтобы изоляция прослужила действительно долго — нужно обеспечить отсутствие влаги в том пространстве, где она уложена. Слабая стойкость к воздействию влаги это самый главный недостаток материала, потому что если минвата намокает, то в этом месте все теплоизоляционные качества моментально исключаются. Конечно, производители сейчас научились обрабатывать рулоны различными влагозащитными составами, однако это не всегда эффективно работает.
Кроме того маты и рулоны боятся механических повреждений, то есть попросту говоря могут порваться даже из-за активности мышей. Поэтому вопрос долговечности все-таки в большей части сомнительный. Тяжело на 100% защитить такую изоляцию.
- Быстрый монтаж.
Это действительно так, однако тоже спорно — что проще — раскатать рулоны на плоскости или засыпать пространство керамзитом? Разницы в сложности особо нет. Поэтому по сравнению с работой с керамзитом данное качество — однозначно не преимущество.
- Огнейстойкость.
Аналогично — керамзит тоже не боится огня.
- Воздухопроницаемость.
Что есть, то есть — базальтовый рулон обладает хорошей паропроницаемостью, благодаря чему пар по идее не будет скапливаться в пространстве пола. Однако если это же качество применить к керамзиту, то и тут видна такая же ситуация — пар прекрасно проходит между рассыпанными гранулами материала и соответственно паропроницаемость тут тоже на высоте.
Получается, что пока рулонный изолятор «проигрывает» керамзиту за счет того, что боится влаги и не слишком прочный на разрыв.
Теперь пришла пора рассмотреть структуру керамзита.
Керамзит как утеплитель
По сути, это сыпучий материал с наличием пор. Гранулы имеют малый вес, который, в общем и целом не особенно отличается от веса ваты. Керамзит сделан на основе глины, в которой содержится около 30% кварца, а, как известно, глина — это природный, естественный утеплитель, который не выделяет никаких вредных испарений.
Если сравнить последнее качество с минватой, то последняя в этом плане не так хороша, потому что содержит мелкие пылевидные частицы, которые вредны для дыхания человека. В принципе, поскольку рулон будет в итоге закрыт различными слоями изоляторов (не считая самого финишного пола), то эти примеси практически не в состоянии попасть в воздух помещения, однако такая вероятность все-таки остается.
То есть тут автоматически возникает третий недостаток минерального утеплителя (первый это боязнь влаги, а второй — малая стойкость на разрыв) — это не 100%-ная экологичность.
Как показывает практика максимально защититься от вредной «стороны» вопроса можно только при условии очень грамотного и правильного монтажа. А это не всегда возможно из-за разного уровня квалификации монтажников.
Конечно, керамзит тоже может иметь недостатки в плане экологичности, но только в том случае, когда сырье добывалось в карьере, который имеет повышенные показатели радиоактивности. Такое случается очень редко, но проверять у продавцов наличие сертификатов безопасности на материал — все-таки стоит.
Также при покупке керамзита стоит обратить внимание еще вот на что:
- На фракцию гранул. Для утепления пола лучше брать не самые крупные размеры — оптимально подойдет градация 5-10.
- На пористость. Чем больше пор в камешке, тем качественнее теплоизоляционные характеристики.
- На прочность материала — это влияет на срок службы.
Тут автоматически выплывает сложный момент в плане применения керамзита — нужно постараться найти хороший, качественный материал, чтобы добиться низкого уровня теплопроводности. Базальтовый материал тут «выигрывает», так как относительно стандартизирован, и встретить на рынке подделку или брак достаточно сложно.
Керамзит не боится влаги, так как весь пар или вся вода просто напросто «проходят» сквозь поры или же непосредственно гранулы материала. Процент влагопоглощения тут, безусловно, имеется, однако он очень мал по сравнению с мягким утеплителем.
Стоит отметить и такой момент, как практически полное отсутствие возможности неправильной укладки керамзита для изоляции пола. Да, выбрать материал — это довольно сложно, но утеплять им очень легко, риск каких-либо ошибок минимальный.
Такие вот основные характеристики керамзита. Теперь нужно коснуться самого главного.
Конкретные теплоизоляционные параметры керамзита и рулонных изоляторов
Итак, получается преимущества и недостатки материалов известны, а что будет, если сравнить их теплопроводность? Тут на самом деле все достаточно просто.
Для наглядного примера нужно просто взять изоляторы хорошего качества.
| Минвата
| Керамзит |
| Примерно 0,04 Вт/м*К
| Приблизительно 0, 09 Вт/м*К |
Как видно из таблицы ватный утеплитель имеет более лучший уровень теплопроводности, чем керамзит, а это означает, что для достижения одинакового теплопроводного эффекта слой керамзита для пола нужно делать в два раза толще, чем это было бы при применении рулонов из базальта.
Если говорить о точных цифрах, то в условиях среднего климата требуемая толщина ваты на перекрытии должна быть по СНИПам около 7 см. Соответственно для засыпки керамзита понадобится пространство около 13-17 сантиметров (все зависит от качества гранул). Конечно, цифры могут варьироваться в ту или иную сторону, так как большое значение имеют особенности ситуации, но в целом соотношение примерно такое.
Опираясь, на всю вышеизложенную информацию, можно подводить какие-то итоги.
Заключение
Получается, что оба материала хороши по-своему, и в то же время каждый имеет свои конкретные недостатки.
Базальтовая вата не столь экологична и долговечна, но зато для ее укладки нужно меньше места (но больше профессионализма).
А керамзит как утеплитель актуально применять тогда, когда хочется достичь максимальной экологической безопасности в помещении и когда есть возможность заложить необходимую толщину пола.
Так что выбор не такой уж и сложный — нужно просто взвесить все особенности ситуации и решение станет очевидным.
Теплопроводность пенопласта — Большая химическая энциклопедия
Было показано, что теплопроводность пенопласта зависит от толщины (197). Это было приписано граничным эффектам лучистого вклада в теплопередачу. [Стр. функция содержания ПЭНП в смесях.Результаты экспериментов продемонстрировали важные аспекты, связанные с изменением свойств пены путем смешивания. 16 исх. [Pg.66]Существуют различные модели для расчета теплопроводности вспененных или наполненных пластиков [39,47, 51]. Обычно используется правило смесей, предложенное Кнаппе [39] … [Pg.41]
Кажущаяся теплопроводность пен зависит от объемной плотности вспененного материала, используемого газа … [Стр. 189]
Экспериментальное исследование теплопроводности пен показало [78], что при диаметрах пузырьков более 3–4 мм значительную роль в теплопроводности играет конвекция внутри пузырька.Эти данные описываются соотношением … [Pg.606]
| Рисунок 23. Теплопроводность пены в панелях (пена, продуваемая CFC-11) (212). |
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДНОЙ ТОЧКИ ВТОРОГО ПОРЯДКА. [Pg.183]
Теплопроводность пен, расширенных с помощью CO2, быстро изменяется из-за диффузии газов в ячейки и CO2 из них.Проницаемость ПУ для различных газов показана в Таблице I. Расширение пены фторуглеродом, таким как трихлорфторметан (CCI3F) или дихлордифторметан (CCI2F2)> снижает теплопроводность пены. Фторуглерод также … [Pg.173]
| Рис. 4.38. Теплопроводность коммерчески доступного пенографита (пены Poco) по сравнению с теплопроводностью пены, первоначально произведенной для этого проекта (необлученные образцы OP-1, OP-4 и OP-10). |
Чтобы сравнить теплопроводность образцов пенопласта, достаточно просто сравнить время, необходимое для данного повышения температуры.В нашем эксперименте горячая пластина находилась при температуре 54 ° C, касаясь дна образца пены. Начальная температура верхней части образца пены была комнатной. Две термопары … [Pg.2249]
Для измерения теплопроводности образец C и образец пенопласта из сосны были измерены описанным выше методом. Было обнаружено, что для повышения температуры с 33,2 до 34,5 ° C для чистого PS sanple потребовалось 33 минуты и 40 минут для образца C. Это указывает на то, что с добавлением активированного угля теплопроводность образцов пены уменьшается.Дальнейшие эксперименты с измерителем теплового потока (FOX 200, LaserComp) будут проведены для изучения влияния активированного угля и влаги. [Pg.2250]
Поскольку поры в аэрогеле сравнимы со средней длиной свободного пробега молекул в условиях окружающей среды (около 70 нм) или меньше ее, газовая теплопроводность внутри них является малоэффективной. В сочетании с тем, что такая проводимость подавляется из-за низкой плотности, аэрогель SiUca имеет типичную теплопроводность 0,015 Вт / (м-К) без вакуумирования.Это значение, по крайней мере, на порядок ниже, чем у обычного стекла, и значительно ниже, чем у пенополиуретанов, вспениваемых CFC (хлорфторуглеродом) (54). [Стр.6]
Теплопроводность. Доступно больше информации о теплопроводности и структурных переменных ячеистых полимеров, чем о любом другом свойстве. В нескольких статьях обсуждалась связь теплопроводности гетерогенных материалов в целом (187,188) и пенопласта в частности (132,143,151,189–191) с характеристическими структурными переменными систем.[Pg.414]
В качестве хорошего первого приближения (187) теплопроводность пен с низкой плотностью через твердую и газовую фазы можно выразить как произведение теплопроводности каждой фазы на ее объемную долю. Большинство жестких полимеров имеют теплопроводность 0,07-0,28 Вт / (мК), а соответствующая проводимость через твердую фазу пены 32 кг / м (2 фунта / фут) (3 об.%) Находится в диапазоне 0,003-0,009 Вт / (мК) . В большинстве ячеистых полимеров это значение определяется, прежде всего, плотностью пены и составом полимерной фазы.Меньшие вариации могут быть результатом изменений клеточной структуры. [Pg.414]
Теплопроводность большинства материалов уменьшается с температурой. Когда на структуру пены и состав газа не влияет температура, k ячеистого материала уменьшается с понижением температуры. Когда состав газовой фазы может измениться (например, конденсация пара), тогда зависимость k от температуры намного сложнее (143,191,198). [Pg.414]
Теплопроводность ячеистого полимера может измениться при старении в условиях окружающей среды, если такое старение влияет на состав газа.Такой случай подтверждается, когда кислород или азот диффундируют в пенополиуретаны, которые изначально содержат только фторуглеродный вспениватель в ячейках (32,130,143,190,191,198-201). [Pg.414]
J. Isberg, Теплопроводность пенополиуретана, Технологический университет Чалмерса, Гетеборг, Швеция, 1988. [Pg.337]
Пенополистирол толщиной 2,54 см с теплопроводностью около 0,03 Вт / (м · К) (0,21 (британских тепловых единиц) / (фут-бар · ° F)) эквивалентно 61 см гравия. Эффективна любая синтетическая пена, имеющая достаточно высокую прочность на сжатие и достаточно низкую теплопроводность.Однако устойчивость пенопласта к воздействию воды, морозов и микроорганизмов в дерне делает их особенно желательными. Интересным и важным приложением этой концепции стало использование пенополистирола при строительстве трубопровода на Аляске. В данном случае пену использовали для защиты от вечной мерзлоты. [Pg.527]
За исключением случаев, когда пена окружена оболочкой из относительно непроницаемого материала, можно было бы ожидать, что выдуваемый газ будет диффундировать и заменяться воздухом, и что теплопроводность пен будет увеличиваться, пока они не приблизятся такой же плотности пенополистирола.В то время как это … [Pg.802]
Другими основными тепловыми свойствами пластмасс, которые имеют отношение к конструкции, являются теплопроводность и коэффициент теплового расширения. По сравнению с большинством материалов пластмассы имеют очень низкие значения теплопроводности, особенно если они вспенены. На рис. 1.10 показано сравнение теплопроводности некоторых металлов, пластмасс и строительных материалов. В отличие от их низкой проводимости, пластмассы имеют высокие коэффициенты расширения по сравнению с металлами.Это проиллюстрировано на рис. 1.11, а таблица 1.8 дает более полную информацию о тепловых свойствах пластмасс и металлов. [Стр.32]
Секции стенок из пенопласта толще, чем из твердого материала. Следовательно, можно ожидать увеличения продолжительности цикла из-за толщины стенок и низкой теплопроводности ячеистого материала. Однако, в отличие от этого, давление впрыска при формовании пенопласта низкое по сравнению с обычным литьем под давлением. Это означает, что на единицу площади формования требуется меньшее усилие зажима, а затраты на пресс-форму меньше, поскольку могут использоваться материалы пресс-формы меньшей прочности.[Стр.298]
Было исследовано влияние смешивания ПЭНП с ЭВА или блок-сополимером стирола и изопрена (178). Свойства (коэффициент теплового расширения. Модуль Юнга, теплопроводность) вспененных смесей обычно лежат в пределах границ вспененных компонентов, хотя взаимосвязь между свойством и содержанием смеси не всегда линейна. Причины должны быть в микроструктуре: большинство пар полимеров несовместимы, но некоторые пары, такие как ПС / полифениленоксид (ППО), смешиваются.В несмешиваемых смесях основная фаза имеет тенденцию быть непрерывной, но форма второстепенной фазы может изменяться. Смеси этилен-октенового сополимера этилена и октена, катализируемые металлоценом, имеют различную морфологию в зависимости от содержания EVA (5). При 25% EVA фаза EVA проявляется в виде мелких сферических включений в матрице LDPE. Результаты этих экспериментов с полимерными пленками применимы к пенам, изготовленным из тех же полимеров. [Pg.4]
Journal of Cellular Plastics 37, No. 1, Jan. 2001, p.21-42 ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ БЛОКА ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО ПЕНА, ПОЛУЧЕННОГО В ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ СЖАТИЕМ Martinez-Diez Х.А. Аркос и Рабаго Л.О. Альманза О.А… [Pg.40]
Листы вспененного полиэтилена низкой плотности толщиной 10 мм были вырезаны из блока, полученного методом компрессионного формования, и определены их теплопроводности в диапазоне температур от 24 до 50 ° C. Была проанализирована эволюция свойств вдоль блока, и структура ячеек, кажущийся средний диаметр ячеек, анизотропия, средняя толщина стенок ячеек и относительная доля полимера были определены с использованием количественного анализа изображений и ранее описанной модели, используемой для прогнозирования теплопроводности пен. .30 исх. [Pg.40]
Была измерена теплопроводность секции коммерчески производимого канала из вспененного полиэтилена высокой плотности. Стены состояли из пенопласта толщиной 6,4 мм с обшивкой толщиной 1,6 мм с каждой стороны. Каркасы были обработаны с внешней поверхности канала, так что тепловой поток по всей толщине стержня сердечника удерживает один поверхностный слой, и все сечение … [Pg.42]
Исследование проводилось на бетоне, содержащем до до 30% отходов пенополиэтилена для оптимизации теплопроводности бетона.Аморфный агрегат золошлаковых отходов использовался для снижения теплопроводности бетона. 5 исх. [Стр.53]
Была произведена серия пенополиолефинов низкой плотности, которые были изучены с точки зрения их теплопроводности, ячеистой структуры и морфологии полимерной матрицы. Для прогнозирования теплопроводности определенного материала представлено математическое уравнение. 26 исх. [Стр.59]
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ПЕН, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ АЗОТНОГО РАСТВОРА… [Стр.60]
.
Влияние органоглины на огнестойкость и теплоизоляционные свойства расширяющейся графитовой / полиуретановой пены
Жесткие пенополиуретаны (RPUF), заполненные органоглиной клоизитом 20A и расширяющимся графитом (EG), были приготовлены методом одноступенчатого вспенивания. Исследованы пламенные свойства, механические свойства и теплопроводность композитов. Испытание на вертикальное горение (UL-94V) и предельный кислородный индекс (LOI) показали, что огнестойкость увеличивается пропорционально содержанию EG в композите PU.Однако наличие наполнителя EG ухудшило теплоизоляцию и прочность композита на сжатие. В этом отчете мы доказали, что органоглина может улучшить прочность на сжатие, теплоизоляцию и огнестойкость композитов ЭГ / полиуретан. Эта работа может способствовать разработке экологически чистых огнестойких продуктов для зеленого роста.
1. Введение
Жесткие пенополиуретаны (RPUF) широко используются в строительной отрасли в качестве изоляционного и звукоизоляционного барьера из-за их низкой теплопроводности, низкой плотности, высокой прочности на сжатие и отличной адгезии [1, 2].Кроме того, RPUF часто можно найти в качестве изоляционного слоя в трубах, резервуарах, холодильниках, лодках и самолетах [3, 4]. Однако RPUF являются легковоспламеняющимися материалами и при сжигании выделяют загрязненные газы, что ограничивает их применение [5].
Наиболее эффективным и простым способом улучшения огнезащитных свойств ППУФ является добавление антипиреновых добавок в полимерную матрицу. Обычные добавки включают соединения галогена, фосфора и азота [6–12]. К сожалению, эти огнестойкие соединения в процессе горения выделяют токсичные газы, вредные для людей и окружающей среды [13, 14].
Расширяемый графит (EG) представляет собой вспучивающийся огнестойкий материал, который широко используется в полиуретановой матрице. Когда EG подвергается воздействию источника тепла, он расширяется до углеродистого слоя на поверхности полиуретанового композита. Этот обугленный слой предотвращает диффузию кислорода и массо- и теплопередачу между пламенем и матрицей ПУ, тем самым прекращая самоподдерживающееся горение композита [15–20]. Modesti et al. [13, 16] исследовали огнестойкость ЭГ / ППУ низкой плотности и доказали, что хорошие огнестойкие композиты могут быть получены путем увеличения нагрузки ЭГ.Однако присутствие ЭГ снижает прочность на сжатие композитов ЭГ / ППУ [13, 15, 19–21]. Более того, было также обнаружено, что теплопроводность композитов ЭГ / ППУ увеличена по сравнению с чистым ППУ [13, 15, 20–24]. Более высокая теплопроводность может затруднить применение ППУ в качестве теплоизоляционного материала. Таким образом, необходимо разработать новые композиты EG / RPUF, отвечающие требованиям высокой огнестойкости при сохранении механической прочности и теплоизоляции.Тем не менее, отчетов, посвященных решению проблемы, было немного.
Органоглина известна как обычное армирующее средство для полимеров из-за ее уникальных свойств, таких как наноразмерные пластинчатые структуры, высокое соотношение сторон и высокая прочность на разрыв [25, 26]. Кроме того, было также обнаружено, что огнезащитные свойства пенополиуретана улучшаются при введении наноглины [27, 28]. В этой работе мы продемонстрировали, что включение органоглины в композит EG / PU является эффективным, простым и масштабируемым методом улучшения механических, теплоизоляционных и огнестойких свойств пенополиуретана.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы
Полиол, используемый для получения RPUF, представлял собой полипропиленгликоль с вязкостью при 20 ° C = 1500 ± 300 сП (MCNS Inc.), содержащий n -пентан (технический) в качестве вспенивающего агента. Используемый изоцианат представлял собой 4,4′-дифенилметандиизоцианат (MDI) с NCO% = 31% и средней функциональностью = 2,8 (Tosoh Corporation, Япония). Дополнительными компонентами, используемыми для композитов RPUF, были хлопья расширяемого графита (EG): +50 меш (> 300 мкм м, ≥75% минимум), pH = 5 ÷ 10 (Sigma-Aldrich) и клозит 20A: d-интервал ( 001) = 31.5 Å (Southern Clay Products Inc., Техас, США).
2.2. Приготовление жесткого пенополиуретана
Жесткий пенополиуретан получали методом одностадийного вспенивания с использованием литья под давлением. EG и клоазит 20A были диспергированы в полиоле перед добавлением изоцианата. Полиол, вспениватель и добавки смешивали и перемешивали до получения однородной смеси. После этого в смесь добавляли некоторое количество изоцианатного MDI (MDI / полиол = 1,4 мас. / Мас.) При интенсивном перемешивании в течение 10 с.Затем смесь быстро вылили в форму для получения пенополиуретана. Для завершения полимеризации между МДИ и полиолом формы, содержащие ПУ, выдерживали в печи при 70- ° ° С в течение 24 часов. Наконец, пенополиуретан отделили от формы и удалили твердую поверхность пенопласта. Компоненты огнестойкой пены приведены в таблице 1.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3. Характеристики
Испытания на горизонтальное и вертикальное горение проводились с горизонтальной и вертикальной камерой горения GT-MC35F-2 в соответствии со стандартным испытанием на горизонтальное горение (ASTMD 635-98) и стандартным испытанием на вертикальное горение (ASTMD 3801-96). . Размер образца 130 × 13 × 3 мм 3 (длина × ширина × толщина). Предельный кислородный индекс (LOI) определяли с помощью прибора Yasuda 214 на образце размером 130 × 10 × 10 мм 3 согласно ASTMD 2863-97.Термогравиметрический анализ (ТГА) выполняли на LABSYS Evo STA на воздухе при скорости нагрева 10 ° C · мин -1 от 30 ° C до 800 ° C. Теплопроводность пен измеряли с помощью прибора THB – 500 – Transient Hot Bridge (Linseis) в соответствии со стандартом DIN EN 993-15. Размер образцов 60 × 40 × 5 мм 3 . Датчик был зажат между двумя листами образца. Испытание композитов на сжатие проводилось на системе Instron 3383, и размер образцов составлял 50 × 50 × 50 мм 3 согласно стандарту ISO 4898.Скорость сжатия составляла 5 мм · мин -1 . Морфология поверхности композитов RPUF до и после обжига наблюдалась с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-4800 с ускоряющим напряжением 5 кВ при комнатной температуре. Просвечивающие электронные микрофотографии (ПЭМ) были получены на JEM 1400 (JEOL, Япония) слоев композитов толщиной 70 нм. Образец ПЭМ был приготовлен методом заливки эпоксидной смолой при температуре окружающей среды. Кристаллическую структуру полиуретановых композитов определяли на дифрактометре AD8 Advance со сканирующими детекторами и Cu Kα-излучением ( λ = 1.5406 Å), напряжение трубки 40 кВ и ток 40 мА.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Огнестойкие свойства пен
Огнестойкие свойства композитов RPUF с различным содержанием EG и Cloisite 20A были исследованы с помощью теста горизонтально-вертикального горения (UL-94) и теста LOI. Результаты испытания на горение представлены на Рисунке 1 и в Таблице 2. Поверхность обожженных композитов была покрыта червеобразными структурами из вспененного графитового угольного слоя, который мог защитить матрицу PU.Горизонтальный тест (Рисунок 1 (а) и Таблица 2) показал, что чистый RPUF сгорает очень быстро и полностью. Напротив, пламя композитов с наполнителем EG прекращалось перед первой отметкой, а огнестойкость композита, содержащего EG, достигала рейтинга UL94HB. В случае испытания на вертикальное горение чистый RPUF и RPUF, заполненный 5 мас.% EG, сгорели до удерживающего зажима, поэтому образцы не прошли испытания согласно классификации испытания UL94V. Когда загрузка EG составляла 10 мас.% Или выше, горение образцов прекращалось сразу после извлечения из источника пламени, что означает, что образец прошел оценку V0 (рис. 1 (b)).
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Огнестойкость полиуретановых композитов была дополнительно исследована с помощью экспериментов LOI (рис. 2).Согласно стандарту ASTMD 2863-97 материал классифицируется как огнестойкий, если значение LOI выше 23%. Как показано на рисунке 2, включение EG значительно повысило огнестойкость пены, превратив чистый RPUF из легковоспламеняющегося материала (значение LOI: 20,2%) в огнестойкий композит. Значение LOI увеличивалось пропорционально содержанию EG. В частности, RPUF с 20 мас.% EG показал значение LOI до 30,5% (таблица 2).
Чтобы четко понять огнестойкость, структура композитов EG / RPUF до и после испытания на горение наблюдалась с помощью изображений SEM (рис. 3).Первоначально жесткие хлопья EG размером 300–500 мкм м были распределены в некоторых местах в матрице PU, как показано на рисунках 3 (а) и 3 (б). После обжига поверхность композита была полностью покрыта губчатым расширенным графитом (Рисунки 3 (c) и 3 (d)). Об этом явлении также сообщалось в предыдущей литературе, в которой было обнаружено, что EG увеличивался более чем в 100 раз по сравнению с исходным размером при более высоких температурах за счет быстрого улетучивания интеркаляции [29, 30]. Расширенный графит, таким образом, действовал как физическая преграда, которая препятствовала диффузии кислорода и массо- и теплопередаче между пламенем и матрицей полиуретана.
Однако присутствие ЭГ в пенополиуретане увеличивает теплопроводность и снижает механические свойства композитов. Чтобы решить эту проблему, мы включили органоглину в композиты EG / PU. Испытание LOI показало, что при том же содержании EG добавка глины может привести к увеличению значения LOI пенопласта EG / PU. В частности, по сравнению с EG15-RPUF (значение LOI 28,1%), EG15-20A2.5 – RPUF и EG15-20A5 – RPUF, образцы показали более высокие значения LOI — 28.5% и 28,7% соответственно. Аналогичное поведение наблюдалось при добавлении 2,5 мас.% Глины к EG17.5-RPUF. Возможны два фактора, связанные с увеличением значения LOI композита EG / глина / RPUF. Во-первых, глина увеличивает вязкость полиола, поэтому дисперсия наполнителя EG в полимерной матрице улучшается. Кроме того, при горении органоглина образует на поверхности материалов обугленный слой, который препятствует передаче тепла и проницаемости кислорода в материал, а также испарению легковоспламеняющихся продуктов разложения [31].Таким образом, глина и ЭГ показали синергетический эффект в улучшении огнестойкости полиуретановых композитов.
3.2. Термическая стабильность композитов
Чтобы лучше понять роль ЭГ и глины в огнестойкости полиуретанового композита, термостойкость этих композитов была изучена методом ТГА (рис. 4). Деградация всех образцов состояла из двух этапов. Первая максимальная температура потери массы, T 1max , чистого ПУ составляла около 330 ° C из-за деполиконденсации ПУ [32].В случае композита EG15-RPUF значение T 1max снизилось до 318 ° C, что было назначено для улетучивания интеркалированных веществ EG, которое началось примерно при 300 ° C. Для композита EG15-20A5-RPUF первая максимальная потеря веса произошла при 315 ° C из-за разложения модификатора аммония в глине. Вторая максимальная температура потери массы T 2max чистого PU, EG15-RPUF и EG15-20A5-RPUF составляла примерно 568, 574 и 585 ° C соответственно.Термическая стабильность образца EG15-RPUF была немного улучшена по сравнению с чистым аналогом в результате обугливания EG при высокой температуре, что замедляло разложение полимера. В случае композита EG15-20A5 – RPUF органоглина представляла собой наноструктурированные барьеры, задерживающие диффузию летучих веществ. В результате композит EG / глина / RPUF имел лучшую термическую стабильность, чем композит EG / RPUF.
3.3. Механические свойства
Для оценки механических свойств чистого RPUF и композитов RPUF была измерена прочность пен на сжатие, и результат показан на Рисунке 5 и Таблице 2.Эти данные показали, что присутствие 15 мас.% ЭГ значительно снижает прочность на сжатие RPUF с 0,2464 МПа до 0,2313 МПа при 10% деформации. Это могло быть связано с тем, что микрочастицы ЭГ привели к низкой совместимости ЭГ и полиуретановой полимерной матрицы. Кроме того, большой размер частиц ЭГ вызвал неоднородную ячеистую структуру пены, что влияет на механическую стабильность ячеистой структуры. Результат согласуется с предыдущими сообщениями [22–24].
Напротив, прочность на сжатие пенополиуретана EG-PU увеличивается при добавлении глины. В частности, при добавлении 2,5 мас.% Глины к EG15-RPUF прочность на сжатие композита EG15-20A2.5 заметно увеличилась с 0,2313 МПа до 0,2485 МПа, что сопоставимо с чистым пенополиуретаном. При дополнительном добавлении 5 мас.% Глины прочность на сжатие EG15-20A5RPUF немного увеличилась до 0,2536 МПа. Как показано на Рисунке 6 (а), пик 2 θ чистой глины составляет 2,8 °. Согласно закону Брэгга, расчетное расстояние d (d001) глины равно 31.5 Å, что согласуется с таблицей данных Cloisite 20A, предоставленной поставщиком Southern Clay Products Inc. Однако на рентгенограмме под малым углом дифрактограммы композита глина / ЭГ / полиуретан не было явных особенностей. Результат показал, что силикатные слои нанометрового размера в основном расслоились с определенным количеством интеркаляции в полиуретановой матрице, что было дополнительно подтверждено ПЭМ-изображением (рис. 6 (b)). Дисперсия расслоенной органоглины увеличивает межфазное взаимодействие между глиной и полиуретановой матрицей, что может повысить прочность композита на сжатие.Кроме того, глина сделала полиол более вязким, что уменьшило накопление EG и, следовательно, улучшило дисперсию EG в полимере. Таким образом, присутствие глины может повысить прочность на сжатие композитов EG / PU.
3.4. Теплопроводность
Теплопроводность композитов RPUF представлена на Рисунке 7 и Таблице 2. Было ясно, что добавление наполнителя EG к пенополиуретану привело к значительному увеличению теплопроводности композитов PU. Добавление 15 мас.% ЭГ увеличило теплопроводность композита EG15-RPUF на ~ 90%.Если содержание ЭГ составляло 20%, теплопроводность увеличивалась до 0,058 Вт · м −1 · K −1 , что было вдвое больше, чем у чистого RPUF. EG — это материал с высокой теплопроводностью, увеличивающий скорость теплопередачи. В результате EG ухудшает изоляционные свойства пенополиуретана.
Добавление глины снижает теплопроводность композитов EG / RPUF. EG15-20A2.5-RPUF имеет теплопроводность 0,048 Вт · м −1 · K −1 , что ниже, чем у EG15-RPUF (0.053 Вт · м −1 · K −1 ). Теплопроводность EG15-20A5-RPUF была дополнительно снижена на 23% по сравнению с EG15-RPUF. Это могло быть связано с тем, что силикатные нанослои создавали дефекты и образовывали эффективные барьеры против переноса фононов в матрице EG / PU, тем самым нарушая теплопроводную сеть. Добавление органоглины представляется подходящим методом для улучшения теплоизоляции композита EG / RPUF.
4. Выводы
В данной работе исследовались огнестойкость, механические свойства и теплопроводность композитов ЭГ / РПУФ и ЭГ / органоглина / РПУФ.Хотя введение EG в полимерную матрицу PU значительно повысило огнестойкость пены, теплоизоляция и прочность на сжатие были снижены. Органоглина была включена в композиты EG / PU, чтобы минимизировать этот недостаток. Тест LOI показал, что при том же содержании EG добавление органоглины может увеличить значение LOI пенопласта EG / PU. Кроме того, прочность на сжатие и теплоизоляция композита также были улучшены в присутствии органоглины.Содержание органоглины 2-3 мас.% Было подходящим для включения в композит EG / PU. Комбинация ЭГ и органоглины является потенциальным методом изготовления огнестойких пенополиуретанов. Этот отчет может внести вклад в разработку экологически чистых огнестойких полиуретановых продуктов в будущем.
Доступность данных
Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.
Благодарности
Это исследование финансировалось Вьетнамской академией науки и технологий в рамках гранта № TĐPCCC.02 / 18-20.
.Эффективная теплопроводность пенополиуретана с открытыми порами на основе теории фракталов
На основе теории фракталов проиллюстрирована геометрическая структура внутри пенополиуретана с открытыми порами, который широко используется в качестве адиабатического материала. Создана упрощенная клеточная фрактальная модель. В модели описана методика расчета эквивалентной теплопроводности пористой пены и вычислена фрактальная размерность. Выводятся математические формулы для фрактальной эквивалентной теплопроводности в сочетании с газом и твердой фазой, для эквивалентной теплопроводности теплового излучения и для полной теплопроводности.Однако общий эффективный тепловой поток складывается из теплопроводности твердой фазы и газа в порах, излучения и конвекции между газом и твердой фазой. Получено фрактальное математическое уравнение эффективной теплопроводности с учетом фрактальной размерности и вакансионной пористости в теле ячейки. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, разница составляет менее 5%. Обобщены основные влияющие факторы. Исследования полезны для улучшения адиабатических характеристик пеноматериалов и разработки новых материалов.
1. Введение
Благодаря выдающимся адиабатическим характеристикам пенополиуретан с открытыми ячейками, с малой плотностью и низкой теплопроводностью (0,018 ~ 0,032200 Вт / (м · К)), применяется в различных областях, таких как строительство, холодильные камеры хранения продуктов. , и рефрижераторные перевозки грузов с целью сохранения тепла. Неправильная геометрическая конструкция пенополиуретана с открытыми ячейками делает его нестандартным по физическим свойствам. И это затрудняет теоретические исследования, особенно в отношении точных тепловых характеристик.На самом деле, теплопроводность адиабатических материалов можно измерить с помощью пластинчатого термозащитного устройства, но это неудобно для научных исследований и разработки пенополиуретана. Анализ и оценка эффективной теплопроводности пористой среды в течение долгого времени представляли собой масштабный исследовательский проект для теплофизической инженерии и гилологии [1]. Хотя в качестве исследовательского проекта для расчета теплопроводности используется пенопластовый материал пористой среды, он всегда считается соединительной виртуальной средой в крупномасштабном пространстве, то есть «средним объемом» в геометрическом распределении.Уитакер [2, 3] и Уитакер и Чоу [4] использовали метод виртуального «среднего объема» для описания процедуры тепломассопереноса внутри пористой среды. Считалось, что пористая среда объединена с твердофазным материалом, жидкостью и газом. Газовая фаза содержит сухой воздух и пар. Предположили, что все фазы в пористой среде представляют собой тепловые балансы, а размеры пор соответствуют «среднему объему» — дюжине переменных, входящих в математическую формулу. Yu et al.[5, 6] также экспериментально исследовали их физическую модель связи и диффузии и вывели соответствующую математическую формулу.
В настоящее время существует два основных метода оценки теплопроводности материалов пористых сред. Первый заключается в том, что теплопроводность освещается как сложные математические функции пропорцией пор и параметрами микроструктуры. Лагард [7] вывел эквивалентную эффективную функцию теплопроводности для насыщенных пористых материалов.Эквивалентная эффективная теплопроводность получается из где — теплопроводность жидкой фазы (), а — теплопроводность твердой фазы ().
Здесь было высказано предположение, что тепловые потоки через жидкость в поре и через твердую фазу пористого тела индивидуальны и происходят одновременно. Однако передача тепла также происходила между жидкой фазой и твердой фазой одновременно. Таким образом, реальная модель была более сложной, чем выражение в (1).Итак, Уильямс и Доу [8] разработали функцию следующим образом: где. Фактор — это отношение, которое тепловой поток передает вместе с градиентами температуры к общему тепловому потоку, в то время как является фактором отсутствия соединения твердое тело-твердое тело и для существования соединения твердое тело-твердое тело и соединения твердое тело-жидкость.
Фактически, в микропространственной структуре материалов пористой среды существование идеального равномерного распределения пор в пористом теле невозможно.Таким образом, существует большая ошибка между упомянутой выше идеальной моделью и реальным телом. Доступные идеальные модели и эмпирические уравнения для пенопластовых теплоизоляционных материалов обычно связаны только с пропорцией пор, которая является приблизительным отражением кажущейся теплопроводности в макропространстве. Но для реального вспененного материала, распределение пор которого нерегулярно, имеющиеся идеальные модели и эмпирические уравнения не относятся к микроструктуре и не могут раскрыть фактическую процедуру тепломассопереноса и распределение температуры и влажности.В итоге большая ошибка — наличие в исследовательской работе.
Другой метод связан с теорией фракталов. Теория фракталов, внедренная в оценочные и исследовательские работы по расчету теплопроводности пористых пеноматериалов, представляет собой новый путь развития теории тепловых характеристик материалов пористой среды. Теория фракталов была впервые выдвинута в 1975 году Мандельбротом, профессором Гарвардского университета в США. Некоторые эксперты, такие как Питчумани [9], Ю и Ли [5], а также Ма и др.[6], провели глубокие исследования эффективной теплопроводности гранулированной пористой среды с помощью теории фракталов и создали соответствующие математические уравнения. Основываясь на теории фракталов, Thovert et al. [10], Zhang et al. [11] и др. Разработали теоретические модели для расчета эффективной теплопроводности неоднородной пористой среды. Согласно концепции модели ковра Серпинского, Пичумани и Рамакришнан [12, 13] создали теоретическую модель распределения пор, но модель и математические уравнения были очень сложными во фрактальной размерности.Ma et al. [6] построили математическую модель эффективной теплопроводности для пористой среды в соответствии с теорией фракталов, которая показала, что теплопроводность пористой среды зависит от соотношения пор, соотношения площадей, соотношения теплопроводности в компонентах и теплопроводности. контактное сопротивление все вместе. Это не имело ничего общего с эмпирическими константами и меньшим количеством параметров и просто вычислялось по формуле. Однако разные пористые среды не идентичны друг другу по внутренней фрактальной сущности.Кроме того, на практике сложно оценить термическое контактное сопротивление пористой среды. Универсальность модели еще требует дополнительной проверки. Thovert et al. [10] осветили фрактальную пористую среду с помощью математической модели перколяции и выполнили решение геометрической итерацией. После этого Адлер, Товерт и Томпсон добавили эмпирические константы, полученные в результате экспериментов, в функцию Адлера. И функция обычно описывается как где — теплопроводность жидкости в порах пористого материала ().А верхний индекс здесь определяется как: где фактор фрактальной размерности = 2.5–2.85, а спектральная размерность используется для описания процедуры перколяции в порах.
Яншэн [14], основываясь на теории перколяции, установил взаимосвязь между диаметром пор в различных зернистых материалах и теплопроводностью. Но пористость пор, фрактальная размерность и микроструктура в модели не участвуют. Пичумани и Яо [15] рассчитали поперечные и продольные фрактальные измерения для освещения микроструктуры волокнистых материалов, а коэффициент теплопроводности был получен на основе традиционной теории теплопередачи.Но модель хорошо работает только с некоторыми волокнистыми пористыми материалами.
Итак, построение теоретически математической модели эффективной теплопроводности, универсальной для пористой среды, значительно затруднительно и непрактично. Следовательно, создание математической модели теплопроводности для одной определенной пористой среды, отражающей ее структурную характеристику во внутреннем мире, является важным направлением развития исследований по пористой среде.
2. Микроструктуры пенополиуретана с открытыми порами и описание фрактала
2.1. Микроструктуры
Полиуретан с открытыми ячейками состоит из твердых субстратов и ячеек. Под действием пенообразователя и агента открытия ячеек образуется большое количество ячеек, которые непрерывно распределяются внутри материала. Ячейки соединяются друг с другом бок о бок, и газ в порах может свободно течь через одну ячейку в другую. Это действительно преимущество для удаления пенообразователя и паров, скопившихся в порах. Между тем газ в порах может быть легко вытеснен прочным соединением ячеек.Твердая подложка из полиуретана с открытыми порами имеет определенную прочность, чтобы поддерживать материал и предотвращать разрушение в вакууме. Таким образом, пенополиуретан с открытой структурой ячеек может широко использоваться в качестве основного материала вакуумной изоляционной панели.
Микроструктура полиуретана с открытыми ячейками, состоящая из скелета твердой подложки (белая часть на рисунке) и ячеек (черная часть на рисунке), показана на рисунке 1 (полученном с помощью электронной микроскопии). Ячейки обычно имеют кубическую форму в пространстве и непрерывно распределены в плоскости сечения, а размеры отверстий находятся в диапазоне 140–220 м, а длина среднего каркаса составляет 125 м.Размеры ячеек различны, а распределение случайное и неравномерное.
2.2. Описание фрактала
Теория фракталов с момента своего зарождения вызвала интерес многих ученых благодаря своим уникальным преимуществам исследования нерегулярных и сложных геометрических объектов и успеху в решении многих задач геометрии, физики, геологии, гилологии и т. Д. на. Между тем, различные проблемы в научных дисциплинах также способствовали развитию теории фракталов.Теория фракталов — это эффективный подход к описанию нелинейных явлений в природе, сложных геометрических структур, внутренних объектов и пространственного распределения. Теория фракталов впервые провела исследование нелинейных сложных систем и проанализировала внутренние законы изучаемых предметов, которые не были упрощенными и абстрактными. В этом существенное отличие теории фракталов от линейного пути. Два предмета можно трактовать как самоподобие, при этом значения фрактальной размерности равны согласно теории фракталов.Эксперты и исследователи построили различные фрактальные модели для материалов пористой среды, а многие исследователи применяют такие известные модели, как модель ковра Серпинского, модель губки Менгера и модель кривой Коха. Однако материалы почти пористой среды по своей природе не совпадают с упомянутыми выше моделями. Это не строгое сходство, но сходство в математическом расчете.
Согласно теории фракталов, это самоподобное масштабное соотношение между метрической мерой объектов и физической величиной, существующей в размерном евклидовом пространстве, включая площадь и объем, или длину пористого фрактала [16]:
Для одного фрактального тела значение фрактальной размерности находится в диапазоне от 2 до 3.Но для полиуретана с открытыми порами микроструктуры диаметры пор разные. Структура нерегулярная, а распределение случайное. Для пенополиуретана с открытыми порами наибольший размер пор ячеек = 220 мкм, а наименьший -; и предполагая длину такта для шага, объем ячейки V можно описать следующим образом:
На основании теории фракталов, распределение ячеек статистически автомодельно для пенополиуретана с открытыми ячейками.Уравнение (6) можно заменить следующим: где C постоянная. Логарифмируя (7), (8) можно получить как
Согласно методу случайных фракталов ковра Серпинского, на Рисунке 1 вычислен фрактал, и результат показан на Рисунке 2. То есть, объем пенополиуретана с открытыми ячейками в этом исследовании имеет фрактальную характеристику, а значение фрактальной размерности соответствует образцу.
Однако структура пористой среды нерегулярна, а распределение пор также является случайным.Физическая величина, количество пор, зависит от диаметра пор D . Итак, (5) можно переписать как или
Принимая дифференциальный коэффициент к (9), тогда
Итак, объединение с (10) и (12) может быть получено как
Здесь функцию вероятности распределения пор можно переписать в виде
Фрактальный эффективный диаметр L пор в полиуретане с открытыми ячейками можно рассчитать в соответствии с функцией вероятности распределения пор:
Основываясь на внутренней структуре полиуретановой формы с открытыми ячейками, мы предполагаем, что ячейки имеют кубическую форму и хорошо распределены, как на рисунке 3.
3. Эквивалентная теплопроводность фрактальной модели
Эквивалентная теплопроводность материалов пористой среды с открытыми ячейками является функцией переменной теплопроводности фаз, внутренней структуры и распределения пор [17]. Таким образом, эквивалентная теплопроводность может быть представлена следующим образом: где — теплопроводность фазы и в материалах пористой среды. Для твердой фазы проводимость равна, а для газа в порах — пористость среднего объема.
Математическая модель для полиуретана с открытыми ячейками разработана на основе (15) в данной статье. Пренебрегая эффектом теплового излучения в ячейках и газовой тепловой конвекции, мы заключаем, что на теплообмен в одной ячейке полиуретановой формы с открытыми ячейками влияют только соседние ячейки. Для одной ячейки предполагаем, что структура представляет собой правильную призму, фрактальный диаметр L ; высота указана выше в (14), а высота твердой подложки d , как на рисунке 3.Таким образом, всю процедуру теплопередачи в ячейке можно проанализировать как передачу электричества в электросхеме. Предположим, что тепловой ток течет сверху вниз через корпус элемента, тогда тепловое сопротивление элемента в основном состоит из четырех частей.
— термическое сопротивление вертикальной стойки 1, стойки уровня 2, газа между стойками уровня и газа в полости.
Упрощенная модель теплового сопротивления может быть описана как на рисунке 4.
Согласно взаимосвязанным знаниям о теплопередаче, мы можем легко получить, что
.Теплопроводность — Определение и подробное объяснение
- БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
- КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
- BNAT
- Классы
- Класс 1-3
- Класс 4-5
- Класс 6-10
- Класс 110003 CBSE
- Книги NCERT
- Книги NCERT для класса 5
- Книги NCERT, класс 6
- Книги NCERT для класса 7
- Книги NCERT для класса 8
- Книги NCERT для класса 9
- Книги NCERT для класса 10
- NCERT Книги для класса 11
- NCERT Книги для класса 12
- NCERT Exemplar
- NCERT Exemplar Class 8
- NCERT Exemplar Class 9
- NCERT Exemplar Class 10
- NCERT Exemplar Class 11
9plar
- Книги NCERT
- RS Aggarwal
- RS Aggarwal Решения класса 12
- RS Aggarwal Class 11 Solutions
- RS Aggarwal Решения класса 10
- Решения RS Aggarwal класса 9
- Решения RS Aggarwal класса 8
- Решения RS Aggarwal класса 7
- Решения RS Aggarwal класса 6
- RD Sharma
- RD Sharma Class 6 Решения
- RD Sharma Class 7 Решения
- Решения RD Sharma класса 8
- Решения RD Sharma класса 9
- Решения RD Sharma класса 10
- Решения RD Sharma класса 11
- Решения RD Sharma Class 12
- PHYSICS
- Механика
- Оптика
- Термодинамика
- Электромагнетизм
- ХИМИЯ
- Органическая химия
- Неорганическая химия
- Периодическая таблица
- MATHS
- Статистика
- 9000 Pro Числа
- Числа
- 9000 Pro Числа Тр Игонометрические функции
- Взаимосвязи и функции
- Последовательности и серии
- Таблицы умножения
- Детерминанты и матрицы
- Прибыль и убытки
- Полиномиальные уравнения
- Деление фракций
- Microology
- 0003000
- FORMULAS
- Математические формулы
- Алгебраные формулы
- Тригонометрические формулы
- Геометрические формулы
- КАЛЬКУЛЯТОРЫ
- Математические калькуляторы 0003000
- 000 CALCULATORS
- 000
- 000 Калькуляторы по химии Образцы документов для класса 6
- Образцы документов CBSE для класса 7
- Образцы документов CBSE для класса 8
- Образцы документов CBSE для класса 9
- Образцы документов CBSE для класса 10
- Образцы документов CBSE для класса 1 1
- Образцы документов CBSE для класса 12
- Вопросники предыдущего года CBSE
- Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
- Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
- HC Verma Solutions
- HC Verma Solutions Класс 11 Физика
- HC Verma Solutions Класс 12 Физика
- Решения Лакмира Сингха
- Решения Лахмира Сингха класса 9
- Решения Лахмира Сингха класса 10
- Решения Лакмира Сингха класса 8
9000 Класс
- Дополнительные вопросы по математике класса 8 CBSE
- Дополнительные вопросы по науке 8 класса CBSE
- Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE
- Дополнительные вопросы по науке
- CBSE Class 9 Вопросы
- CBSE Class 10 Дополнительные вопросы по математике
- CBSE Class 10 Science Extra questions
- Class 3
- Class 4
- Class 5
- Class 6
- Class 7
- Class 8 Класс 9
- Класс 10
- Класс 11
- Класс 12
- Решения NCERT для класса 11
- Решения NCERT для класса 11 по физике
- Решения NCERT для класса 11 Химия
- Решения NCERT для биологии класса 11
- Решение NCERT s Для класса 11 по математике
- NCERT Solutions Class 11 Accountancy
- NCERT Solutions Class 11 Business Studies
- NCERT Solutions Class 11 Economics
- NCERT Solutions Class 11 Statistics
- NCERT Solutions Class 11 Commerce
- NCERT Solutions for Class 12
- Решения NCERT для физики класса 12
- Решения NCERT для химии класса 12
- Решения NCERT для биологии класса 12
- Решения NCERT для математики класса 12
- Решения NCERT, класс 12, бухгалтерия
- Решения NCERT, класс 12, бизнес-исследования
- NCERT Solutions Class 12 Economics
- NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 1
- NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 2
- NCERT Solutions Class 12 Micro-Economics
- NCERT Solutions Class 12 Commerce
- NCERT Solutions Class 12 Macro-Economics
- NCERT Solut Ионы Для класса 4
- Решения NCERT для математики класса 4
- Решения NCERT для класса 4 EVS
- Решения NCERT для класса 5
- Решения NCERT для математики класса 5
- Решения NCERT для класса 5 EVS
- Решения NCERT для класса 6
- Решения NCERT для математики класса 6
- Решения NCERT для науки класса 6
- Решения NCERT для класса 6 по социальным наукам
- Решения NCERT для класса 6 Английский язык
- Решения NCERT для класса 7
- Решения NCERT для математики класса 7
- Решения NCERT для науки класса 7
- Решения NCERT для социальных наук класса 7
- Решения NCERT для класса 7 Английский язык
- Решения NCERT для класса 8
- Решения NCERT для математики класса 8
- Решения NCERT для науки 8 класса
- Решения NCERT для социальных наук 8 класса ce
- Решения NCERT для класса 8 Английский
- Решения NCERT для класса 9
- Решения NCERT для класса 9 по социальным наукам
- Решения NCERT для математики класса 9
- Решения NCERT для математики класса 9 Глава 1
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 2 Решения NCERT
- для математики класса 9, глава 3
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 4
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 5 Решения NCERT
- для математики класса 9, глава 6
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 7 Решения NCERT
- для математики класса 9, глава 8
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 9
- Решения NCERT для математики класса 9, глава 10 Решения NCERT
- для математики класса 9, глава 11 Решения
- NCERT для математики класса 9 Глава 12 Решения NCERT
- для математики класса 9 Глава 13
- NCER Решения T для математики класса 9 Глава 14
- Решения NCERT для математики класса 9 Глава 15
- Решения NCERT для науки класса 9
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 1
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 2
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 3
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 4
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 5
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 6
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 7
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 8
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 9
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 10
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 12
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 11
- Решения NCERT для науки класса 9 Глава 13 Решения NCERT
- для науки класса 9 Глава 14
- Решения NCERT для класса 9 по науке Глава 15
- Решения NCERT для класса 10
- Решения NCERT для класса 10 по социальным наукам
- Решения NCERT для математики класса 10
- Решения NCERT для математики класса 10 Глава 1
- Решения NCERT для математики класса 10, глава 2
- Решения NCERT для математики класса 10, глава 3
- Решения NCERT для математики класса 10, глава 4