Πρωτότυπη συσκευή ψυχρής/θερμής δεξαμενής για την μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας πολυμερικών υλικών
Creators: name: Πλωμαρίτης, Αθανάσιος Προκοπίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: θερμική αγωγιμότητα
μέθοδος ψυχρής/θερμής δεξαμενής
πολυμερή
thermal conductivity
cool/hot tank method
polymers

description: Το θέμα της παρούσας εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας μετρητικής διάταξης της θερμικής αγωγιμότητας για τις ανάγκες ενός ερευνητικού προγράμματος. Στόχος ήταν να προκύψει μια συσκευή που να μπορεί να δώσει τιμή θερμικής αγωγιμότητας για πλαστικά υλικά και πολυμερή, είτε αυτούσια είτε οπλισμένα με νανοϋλικά που θα προέκυπταν από το πρόγραμμα. Η ιδιαιτερότητα αυτών των υλικών είναι ότι έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα και στην περίπτωση των νανοσύνθετων υλικών προέκυπταν υλικά που είχαν φτωχή ομοιογένεια στο σύνολο της μάζας τους, οπότε έπρεπε να αναπτυχθεί μια μέθοδος που θα μπορούσε να προσπεράσει τα παραπάνω εμπόδια για να δώσει μια αξιόπιστη τιμή μέσης θερμικής αγωγιμότητας των υλικών αυτών. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε είναι η ‘Μέθοδος Ψυχρής/Θερμής Δεξαμενής’ (Cool/HotTankMethod). Στην μέθοδο αυτή το δοκίμιο, που αποτελείται από το υλικό που θέλουμε να μετρήσουμε, τοποθετείται σαν διαχωριστικό ανάμεσα σε δύο δεξαμενές. Η μια δεξαμενή πληρώνεται με ψυχρό νερό, θερμοκρασία δωματίου, ενώ η δεύτερη με θερμό νερό, 45 oC. Το νερό στην κάθε δεξαμενή, μαζί με το τοίχωμα της δεξαμενής, είναι σε θερμική ισορροπία και πραγματοποιείται μεταφορά θερμότητας μόνο μέσω του δείγματος. Ό ρυθμός με τον οποίο γίνεται η μεταφορά θερμότητας μας δίνει την θερμική αγωγιμότητα του δείγματος. Η μέθοδος Ψυχρής/Θερμής Δεξαμενής εξετάστηκε για το πόσο επαναλήψιμα αποτελέσματα μπορεί να δώσει κάθε φορά που εξετάζουμε το ίδιο υλικό, καθώς και σε απόλυτες τιμές κατά πόσο συμφωνούν τα αποτελέσματα που δίνει με αυτά τις βιβλιογραφίας, ή του κατασκευαστή για κάθε υλικό. Με την παραπάνω προμελέτη βρέθηκε ότι η συσκευή δίνει επαναλήψιμα και αξιόπιστα αποτελέσματα υπερτερώντας κάθε άλλης γνωστής τεχνικής μέτρησης θερμικής αγωγιμότητας για στερεά. Με την παραπάνω μέθοδο μπορούμε να εξετάσουμε υλικά ακόμα και με φτωχή ομοιογένεια, ενώ θεωρητικά δεν υπάρχουν περιορισμοί για το εύρος της θερμικής αγωγιμότητας των υλικών που μπορεί να μετρήσει. Σαν μέθοδος όμως είναι αρκετά χρονοβόρα, ≈ 15 min, και χρειάζεται ένα σχετικά μεγάλο δείγμα. Παράλληλα πρέπει ο ερευνητής να έχει εξοικείωση με την εν λόγο διάταξη.
description: The subject of this thesis was the design and manufacturing of a device for measuring thermal conductivity. This device would be used to measure thermal conductivity of plastics and polymeric materials, either armed or not armed with nanoparticles. These materials have low thermal conductivity and poor homogeneity was observed in the case of nanocomposite materials. The proposed method developed along with this device, overcomes the aforementioned properties of those materials, acquiring reliable values of thermal conductivity. The method that was developed in this study is called “Cool/Hot Tank Method”. The sample is placed between the two hemisphere tanks filled with water, one cool (25oC) and one hot (45oC). Thermal conductivity is then calculated from the rate of heat transfer vs. time via sample. Using the “Cool/Hot Tank Method” we measured thermal conductivity of silicone rubber and epoxy polymers with a variety of mixtures of cross-links, Epon828 30:70 (D230:D2000), Epon828 40:60 (D230:D2000) and Epon828 50:50 (D230:D2000). Silicone rubber and Epon828 50:50 (D230:D2000) tested as nanocomposite materials with 3% by volume MCF and I30 E nanomaterials. The results show us that all these materials have low thermal conductivity. Different mixtures of cross-links do not affect the thermal conductivity of polymers, and the introduction of nanomaterials increase the thermal conductivity of resulting nanocomposite materials.