Теплопроводность полиэтиленовой пленки: Коэффициент теплопроводности полиэтиленовой пленки — ЛентаПак

Какая у поликарбоната теплопроводность

Автор На чтение 7 мин Просмотров 3.1к. Опубликовано 23.08.2021

В течение последних нескольких лет на рынке строительных материалов практически ежегодно появляются различные новинки. В ряде таковых можно считать и поликарбонат, используемый уже давно в отделочных работах и при оформлении дизайнерских проектов. Такую популярность поликарбонат заслужил по праву за счет необыкновенного практичного набора физических свойств. Например, ни один из строительных материалов не обладает теплопроводностью поликарбоната. Именно об этом свойстве и следует поговорить подробнее.

Схема листа сотового поликарбоната.

Содержание

1. Виды поликарбоната
2. Теплопроводность поликарбоната
3. Теплопроводность различных видов поликарбоната
4. Вид поликарбоната с наилучшими теплопроводными свойствами
5. Определение теплопроводности поликарбоната на практике

Виды поликарбоната

У поликарбоната, применяемого в строительстве, принято выделять два основных вида в зависимости от структуры строения его полотна: монолитный и сотовый.

Монолитный поликарбонат представляет собой плотные листы, его еще можно называть литым. Листы пластика нового поколения значительно отличаются по толщине и некоторым физическим свойствам, в том числе ударопрочности, теплопроводности. Основное использование монолитного поликарбоната — более выгодная и практичная альтернатива стеклянному полотну. Дело осталось за малым: нужно добиться такой же кристальной прозрачности пластика, как у стекла.

Сотовый поликарбонат используется повсеместно. Это и оформление дизайнерских проектов фасадов зданий, покрытие крыш легких строений и обустройство теплиц, и многое другое. Сотовый поликарбонат сильно отличается по строению от монолитных листов. В первую очередь стоит отметить, что он сформирован из двух листов, наложенных друг на друга и объединенных ребрами жесткости, которые образуют полые каналы — «соты». Каналы могут иметь различную величину. Благодаря таким сотам этот материал приобретает множество преимуществ, в том числе и способность к хорошей теплопередаче. Именно поэтому сотовый поликарбонат используется для проектирования комфортных теплиц с благоприятным микроклиматом и достаточной освещенностью, может служить полноценной стеной для малоэтажного строения.

Вернуться к оглавлению

Теплопроводность поликарбоната

Свойства поликарбоната.

Теплопроводность, как физическое свойство, подразумевает под собой некую способность передачи тепловой энергии атомами от одного тела, имеющего больше этой энергии, другому телу, соответственно, меньше наполненному этой энергией. Теплопроводность имеет решающее значение при выборе строительных и отделочных материалов, поэтому подвергается измерению и сопоставлению с конкурентными образцами. Измерить ее можно, вычислив объемы тепла, которые способен провести через себя исследуемый материал толщиной в 1 м, за единицу времени (в секундах). С точки зрения физики каждый материал в такой системе или зависимости будет стремиться к достижению общего равновесия в тепловом отношении, а именно к выравниванию баланса теплоты.

Лучше всего отразить теплопроводность в виде формулы можно при помощи физического закона Фурье. В письменной форме он будет выглядеть так: в определенном режиме плотность энергетического потока будет передаваться за счет способности к теплопроводности пропорционально градиенту температуры. Формула закона Фурье выглядит так:

q= — λ grad (T)

• где q является вектором плотности потока тепла и количественно выражает объем тепловой энергии, способный пройти через единицу площади исследуемого материала за единицу времени в направлении, перпендикулярном к каждой из осей;
• λ — характеризует собственно коэффициент теплопроводности;
• Т — обозначает температуру, при которой происходит передача тепловой энергии. При этом отрицательное значение правой части формулы означает противоположное направление вектора grad T. Совокупность такого выражения и отражает суть закона теплопроводности Фурье.

Вернуться к оглавлению

Теплопроводность различных видов поликарбоната

Схема крепления поликарбоната на опоры.

Теплопроводность, как уже было отмечено, в значительной степени зависит от состава исследуемого материала. В данном случае рассматриваются свойства теплопередачи поликарбоната. учет теплопроводности очень важен при использовании поликарбоната в качестве строительного материала, ведь от него на прямую будет зависеть экономичность проекта в период эксплуатации. Коэффициент теплопроводности позволит определить реальные объемы потерь тепла через поликарбонатные насаждения. Известно, что показатели теплопередачи монолитного поликарбоната превышают на 20% аналогичные показатели для листового стекла и на 30% для полиэтиленовой пленки.

Несмотря на хорошую теплопроводность, монолитный поликарбонат обладает прекрасными противопожарными качествами, гарантируемыми трудновоспламеняемостью материала.

Еще более внушительными показателями теплопроводности обладает сотовый поликарбонат. Ячейки в толще листа такого поликарбоната заполнены воздухом, который постоянно циркулирует и согревается. Отсюда следует, что в сотах образуется подобие воздушной подушки, наполненной постоянно конденсирующимися теплыми парами. Воздух, в свою очередь, является очень плохим проводником для тепла. Логично предположить, что заграждения из сотового поликарбоната будут иметь низкий коэффициент теплопроводности, поскольку наполнены воздухом, и будут служить наилучшим теплоизолятором. Такой эффект позволяет максимально снизить расходы на топливо и отопление помещения в целом, значительно сократить проникновение холодных потоков воздуха внутрь комнат.

Удельный вес поликарбоната.

Согласно закону теплопроводности можно наблюдать такую зависимость, при которой с уменьшением значения коэффициента теплопроводности увеличивается значение положительной температуры внутри помещения, что особенно важно в зимние месяцы. Все эти преимущества дополняются немаловажной легкостью конструкций сотового поликарбоната. Полезно знать, что лист сотового поликарбоната даже при оказании на него некоторых нагрузок может использоваться при температуре окружающей среды до — 40°С зимой и до + 120°С летом. К тому же, уже сейчас создан ряд смесей, которые применяются при необходимости для обработки внешней поверхности сотового поликарбоната, что на порядок понижает коэффициент теплопроводности.

Это значит, что в летние жаркие дни излишняя тепловая энергия не сможет проникнуть внутрь помещения или конструкции теплицы и созданная внутри прохлада останется, а холодными зимами накопленное тепло не будет потеряно через поликарбонатные заграждения и морозный воздух не проникнет внутрь помещения.

Вернуться к оглавлению

Вид поликарбоната с наилучшими теплопроводными свойствами

Можно подвести итоги вышеуказанного материала и определить вид поликарбоната с наилучшими теплопроводными свойствами. Как стало ясно, наилучшую теплопроводность определяет наименьший коэффициент теплопроводности. Из используемых строительных материалов на данный момент самым большим количеством преимуществ обладает сотовый поликарбонат, в их число входит и низкий коэффициент теплопроводности. Это утверждение легко можно проиллюстрировать, приведя сравнительную характеристику теплопроводности некоторых материалов и жидкостей в цифрах: снег — 1,5 Вт/мхК, лед — 2,25 Вт/мхК, вода — 0,56 Вт/мхК, воздух — 0,026 Вт/мхК, стекло — 1,15Вт/мхК. Коэффициент теплопроводности сотового поликарбоната — около 0,2 Вт/мхК, для полиэтиленовой пленки это значение равно 0,30 Вт/мхК.

Стоит сразу отметить, что эти значения измерены и получены для каждого из материалов при одинаковой толщине слоя, если же привести их к реально используемым размерам (например, сопоставить толщину пленки и поликарбоната), то можно увидеть явное превосходство некоторых.

Тогда сотовый поликарбонат превзойдет полиэтилен минимум в двенадцать раз.

Вернуться к оглавлению

Определение теплопроводности поликарбоната на практике

Схема воздействия солнечных лучей на лист поликарбоната.

Теплопроводность является одним из наиболее важных качеств поликарбоната как материала, используемого для строительства. Исходя из этого каждому производителю подобного продукта выгодно, чтобы потребитель смог быстро и удобно найти нужную ему информацию о таком качестве. Как правило, вся информация получена опытным путем, проверена и подробно указана на этикетке или бирке, в крайнем случае с вопросами по разъяснению можно обратиться к продавцу-консультанту магазина строительных материалов. Полезным для каждого может быть вычисление теплопотерь с использованием указанного коэффициента теплопроводности по формуле:

Тп = ПП * К * Рт

• где Тп — искомая величина теплопотерь;
• ПП — площадь поверхности, покрытой поликарбонатом, м²;
• К — коэффициент теплопроводности поликарбоната, Вт/мхК;
• Рт — разность температур окружающей среды и созданного микроклимата, например теплицы,°С.

Монолитный пластиковый лист может гарантировать теплопроводность на уровне 0,21 Вт/м². В свою очередь, по многим другим показателям он значительно превосходит указанных конкурентов. Снижение потерь тепла напрямую означает финансовую экономию в связи с сокращением затрат на отопление помещения. Важным аспектом при использовании в строительных проектах монолитного поликарбоната как заградительной конструкции является и коэффициент сопротивления теплопередаче остекления, зависящий от толщины и вида материала.

Использование полиамидной пленки вместо теплопроводящей электроизоляционной подложки КПТД-2/3

Разработка и производство оборудования для тестирования Химических Источников Тока. | Разработка и производство систем балансировки элементов в батареях ХИТ.

2. Главная
3. Блог технического директора
4. Эксперименты
5. Использование полиамидной пленки вместо теплопроводящей электроизоляционной подложки КПТД-2/3

Поделиться

  Традиционно в качестве теплопроводящего материала для изоляции полупроводниковых приборов от радиаторов используются теплопроводные подложки КПТД-2. Данные материалы имеют ряд недостатков, важнейшим из которых является высокая цена.

   Специалистами ООО «ЯРОСТАНМАШ» проведено экспериментальное исследование по сравнению технико-экономических показателей традиционной теплопроводной подложки КПТД-2/3-0.2 производства ОДО «НОМАКОН» и полиамидной пленки толщиной 40мкм, при использовании последней в качестве электроизоляционной теплопроводной прокладки между корпусами полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов и др.) и радиаторами.

   Теплопроводящая электроизоляционная подложка КПТД-2/3-0. 20 «Номакон» выполнена из силиконовой основы, наполненной микропорошком нитридной керамики для увеличения теплопроводности. Для придания механической прочности в структуру материала включена стеклотканевая армирующая сетка. Тем не менее, материал является достаточно рыхлым, легко прокалывается и рвется, требует бережного обращения. Наибольший размер заготовок КПТД-2, производимых ОДО «НОМАКОН», составляет 160 х 780мм. Для предотвращения слипания отдельных листов материала друг с другом, подложки КПТД-2/3-0.20 поставляются с защитной полиэтиленовой пленкой:

   Полиамидная пленка выпускается в рулонах шириной до 1400мм, при неограниченной длине намотки. Материал является плотным, механически прочным, при разрезании не тянется, не деформируется. Пленка химически стойка к спирту, ацетону и др. растворителям. Образец для испытания имеет толщину 40мкм:

   Для сравнения данных материалов была собрана несложная экспериментальная установка, основными компонентами которой являются два транзистора IRFZ44N в стандартных корпусах TO-220, прижатые к общему радиатору (профиль АВ0094, длина 100мм) через тестируемые подложки: полиамидную пленку толщиной 40мкм (на фото слева) и КПТД-2/3-0. 2 (на фото справа). Обе подложки перед монтажом транзисторов были смазаны с двух сторон тонким равномерным слоем теплопроводящей кремнийорганической пасты КПТ-8. Излишки пасты после монтажа транзисторов на радиатор были удалены ватным тампоном. Транзисторы прижаты к радиатору с помощью единого коромысла, обеспечивающего одинаковое усилие прижатия обоих приборов:

   Чтобы обеспечить одинаковое выделение тепла в обоих транзисторах вне зависимости от внешних условий и температуры, транзисторы входят в состав двухканальной схемы потребления постоянного стабилизированного тока от внешнего источника питания. Каждый из двух транзисторов работает в своем канале независимо от другого. Каждый канал обеспечивает стабилизацию потребляемого им тока на уровне 2А при напряжении питания схемы от 7 до 30В, что соответствует тепловой мощности, выделяемой на каждом транзисторе, от 9 до 55Вт. Данная схема гарантирует одинаковое тепловыделение в обоих приборах и представлена на рисунке ниже:

   После монтажа компонентов на радиаторе, тестируемые подложки подверглись испытанию высоким напряжением величиной 1кВ на пробой. Испытание проведено с помощью прибора UT531, включенного в режиме мегомметра. Обе прокладки выдержали испытание. Суммарное сопротивление обоих подложек (включенных по электрической схеме соединения параллельно) составило более 650МОм:

   Для измерения температуры поверхности транзисторов и радиатора использовался тепловизор Fluke Ti25. Поскольку поверхность радиатора блестящая и в ней отражается тепловое излучение окружающей среды, действительная температура самой поверхности радиатора не может быть адекватно измерена с помощью тепловизора. С целью матирования поверхности радиатора в месте измерения температуры, на него была наклеена полоска матовой пленки Oracal (светло-синего цвета на фотографиях ниже). По температуре этой полоски производилось измерение температуры радиатора.

   Поскольку тепловизор Fluke Ti25 выводит в численном виде три значения температуры: значение температуры в центре кадра, максимальную температуру в кадре и минимальную температуру в кадре, при измерении температуры менее нагретого транзистора, более нагретый транзистор закрывался ширмой (деревянной линейкой), чтобы температура менее нагретого транзистора казалась тепловизору максимальной и он выводил на своем экране ее численное значение:

   Эксперимент №1. Напряжение питания 15В. Тепловая мощность 25Вт на каждом транзисторе:

   Перепад температуры на подложке КПТД-2/3-0.20 толщиной 200мкм составил 106.1 — 49.1 = 57°С.

   Перепад температуры на полиамидной пленке толщиной 40мкм составил 81.1 — 49 = 32°С.

   Полиамидная пленка при заданных толщинах материалов показала меньшее тепловое сопротивление в 1.78 раза.

   Эксперимент №2. Напряжение питания 22.5В. Тепловая мощность 40Вт на каждом транзисторе:

   Перепад температуры на подложке КПТД-2/3-0.20 толщиной 200мкм составил 160.1 — 60.5 = 99.6°С.

   Перепад температуры на полиамидной пленке толщиной 40мкм составил 114.1 — 59.9 = 54.2°С.

   Полиамидная пленка при заданных толщинах материалов показала меньшее тепловое сопротивление в 1.84 раза.

   Анализируя полученные результаты измерений можно увидеть, что теплопроводность самого́ материала полиамидной пленки хуже, чем теплопроводность материала подложки КПТД-2/3-0.20, однако, благодаря более высокой механической прочности полиамидной пленки, толщина ее может быть значительно меньше толщины подложки КПТД-2, и общее тепловое сопротивление электроизоляционной прокладки из полиамидной пленки получается почти в 2 раза ниже.

   Полученные в ходе экспериментов данные сведены в таблицу:

   Выводы.

1. Применение полиамидной пленки толщиной 40мкм вместотеплопроводящей электроизоляционной подложки КПТД-2/3-0.20 позволяет снизить перепад температуры между корпусом полупроводникового прибора и радиатором в 1.8 раза;

2. Полиамидная пленка является более прочным и более удобным для монтажа материалом, чем теплопроводящая электроизоляционная подложка КПТД-2/3;

3. Стоимость полиамидной пленки на порядки меньше стоимости электроизоляционных подложек КПТД-2/3.

   На основании проведенных экспериментов можно дать однозначное заключение: полиамидная пленка толщиной 40мкм рекомендована как замена подложек КПТД-2/3-0.20 в качестве электроизоляционной теплопроводящей прокладки для монтажа полупроводниковых приборов на радиаторах.

Новые проводящие полиэтиленовые полимерные пленки

TAGS:  Замена металла     Творчество с пластиками     Нанотехнологии
Электрика и электроника

Полимеры обычно используются для теплоизоляции. Подумайте о силиконовой прихватке или кофейной чашке из пенопласта, которые изготовлены из полимерных материалов, которые отлично удерживают тепло.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института изменили представление о стандартном полимерном изоляторе, изготовив тонкие полимерные пленки, проводящие тепло — способность, обычно связанная с металлами. В ходе экспериментов они обнаружили, что пленки, которые тоньше полиэтиленовой пленки, лучше проводят тепло, чем керамика и многие металлы, включая сталь.

Результаты группы, опубликованные в журнале Nature Communications, могут стимулировать разработку полимерных изоляторов в качестве легких, гибких и устойчивых к коррозии альтернатив традиционным металлическим теплопроводникам для различных применений, от теплорассеивающих материалов в ноутбуках и мобильных телефонах до охлаждения. элементы в автомобилях и холодильниках.

«Мы думаем, что этот результат — шаг к стимулированию области», — говорит Ган Чен, профессор энергетики Массачусетского технологического института и старший соавтор статьи. «Наше более широкое видение состоит в том, что эти свойства полимеров могут создать новые области применения и, возможно, новые отрасли, и могут заменить металлы в качестве теплообменников».

Соавторами Чена являются ведущий автор Янфей Сюй, а также Даниэль Кремер, Бай Сон, Цзявэй Чжоу, Джеймс Лумис, Цзяньцзянь Ван, Мингда Ли, Хади Гасеми, Сяопэн Хуан и Сяобо Ли из Массачусетского технологического института, а также Чжан Цзян из Argonne National Лаборатория.

Переход от ультратонких волокон к управляемым проводящим пленкам

В 2010 году команда сообщила об успешном изготовлении тонких волокон из полиэтилена , теплопроводность которых в 300 раз выше, чем у обычного полиэтилена, и примерно такая же проводимость, как у большинства металлов. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, привлекли внимание различных отраслей, в том числе производителей теплообменников, компьютерных процессоров и даже гоночных автомобилей.

Вскоре стало ясно, что для того, чтобы полимерные проводники могли работать в любом из этих применений, материалы должны быть увеличены с ультратонких волокон (одно волокно измеряется одной сотой диаметра человеческого волоса) до более управляемые фильмы.

«В то время мы сказали, что вместо одного волокна мы можем попытаться сделать лист, — говорит Чен. «Оказывается, это был очень трудный процесс».

Исследователям нужно было не только придумать способ изготовления теплопроводящих листов из полимера , но также изготовить на заказ аппарат для проверки теплопроводности материала , а также разработать компьютерные коды для анализировать изображения микроскопических структур материала.

Распутывание молекулярных узлов полиэтилена

В конце концов, команда смогла изготовить тонкие пленки проводящего полимера, начав с коммерческого полиэтиленового порошка. Обычно микроскопическая структура полиэтилена и большинства полимеров напоминает спагетти-подобный клубок молекулярных цепочек. Тепло с трудом проходит через этот беспорядочный беспорядок, что объясняет внутренние изоляционные свойства полимера.

Сюй и ее коллеги искали способы распутать молекулярные узлы полиэтилена, чтобы сформировать параллельные цепи, по которым лучше проводится тепло. Для этого они растворяли порошок полиэтилена в растворе, который заставлял скрученные цепи расширяться и распутываться. Специально созданная проточная система дополнительно распутывала молекулярные цепи и выплескивала раствор на пластину, охлаждаемую жидким азотом, с образованием толстой пленки, которую затем помещали на машину для вытягивания с рулона на рулон, которая нагревала и растягивала пленку. пока он не стал тоньше полиэтиленовой пленки.

Теплопроводность лучше, чем у других полимеров, металлов…

Затем команда построила аппарат для проверки теплопроводности пленки. В то время как большинство полимеров проводят тепло примерно от 0,1 до 0,5 ватт на метр на кельвин, Сюй обнаружил, что новая полиэтиленовая пленка измеряет около 60 ватт на метр на кельвин. (Алмаз, лучший теплопроводный материал, имеет около 2000 ватт на метр на кельвин, в то время как у керамики около 30, а у стали около 15.) Как оказалось, пленка команды на два порядка более теплопроводна. чем большинство полимеров, а также более проводящий, чем сталь и керамика.

Чтобы понять, почему эти инженерные полиэтиленовые пленки обладают такой необычайно высокой теплопроводностью, команда провела эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей на усовершенствованном источнике фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории.

«Эти эксперименты на одном из самых ярких в мире синхротронных рентгеновских установок позволяют нам увидеть наноскопические детали в отдельных волокнах, из которых состоит натянутая пленка», — говорит Цзян.

Изучая ультратонкие пленки, исследователи заметили, что пленки, демонстрирующие лучшую теплопроводность, состоят из нановолокон с менее беспорядочно свернутыми цепями по сравнению с пленками из обычных полимеров, которые напоминают запутанные спагетти. Их наблюдения могут помочь исследователям разработать полимерные микроструктуры для эффективного проведения тепла.

«В конце концов эта работа мечты сбылась, — говорит Сюй.

Теплопроводность во всех трех измерениях

Двигаясь вперед, исследователи ищут способы сделать полимерные теплопроводники еще лучше, регулируя процесс изготовления и экспериментируя с различными типами полимеров.

Чжоу отмечает, что полиэтиленовая пленка команды проводит тепло только по длине волокон, из которых состоит пленка. Такой однонаправленный теплопроводник может быть полезен для отвода тепла в заданном направлении внутри таких устройств, как ноутбуки и другая электроника. Но в идеале, по его словам, пленка должна более эффективно рассеивать тепло в любом направлении.

«Если у нас есть изотропный полимер с хорошей теплопроводностью, то мы можем легко смешать этот материал в композит, и мы потенциально можем заменить многие проводящие материалы», — говорит Чжоу. «Поэтому мы стремимся улучшить теплопроводность во всех трех измерениях».

Это исследование было частично поддержано Производственной программой EERE Министерства энергетики США, Центром Дефанда Массачусетского технологического института и программами Министерства энергетики по основам энергетики.

Источник: MIT

Теплопроводность ненаполненных пластиков

На этот раз основное внимание уделяется теплопроводности ненаполненных пластиков. Их сотни, поэтому можно представить только небольшой выбор. С термической точки зрения пластмассы представляют собой заведомо сложное семейство. Различные источники показывают большие различия в теплопроводности, а справочники предоставляют диапазон значений для многих материалов вместо одного значения.

Причины многообразны. Обращает на себя внимание изменение плотности, что ясно демонстрируется значениями для полиэтилена в таблице ниже. Другим важным и часто упускаемым из виду источником (анизотропных) изменений в литьевых пластмассах является скорость впрыска. Исследования показали, что можно достичь «металлических» значений при экстремальных скоростях за счет растяжения полимерных цепей в направлении потока.

В таблице также показан интересный диапазон теплопроводности с теплотехнической точки зрения.