Badanie wybranych właściwości tworzyw sztucznych stosowanych budownictwie jako materiały izolacyjne

Transkrypt

1 Politechnika Rzeszowska Katedra Technologii Tworzyw Sztucznych Badanie wybranych właściwości tworzyw sztucznych stosowanych budownictwie jako materiały izolacyjne Rzeszów, 2010

2 Celem ćwiczenia jest określenie, istotnych z punktu widzenia użytkowania, właściwości tworzyw sztucznych stosowanych w budownictwie jako materiały izolacyjne m.in. styropianu, poli(węglanu) komorowego, poli(metakrylanu) metylu, poli(chlorku) winylu, poliuretanu. Współczesne materiały budowlane o wysokiej jakości muszą spełniać wymagania różnej natury. Są to m.in. odpowiednia izolacyjność termiczna i akustyczna oraz ochrona przed wilgocią. Badania obejmują: 1. Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła. 2. Oznaczanie zdolności samogaśnięcia. 3. Oznaczenie gęstości, porowatości i szczelności. 4. Określanie nasiąkliwości wodą przy długotrwałym zanurzeniu. Zagadnienia do kolokwium: 1. Rodzaje tworzyw sztucznych stosowanych w budownictwie. 2. Technologia otrzymywania styropianu. 3. Właściwości spienionego polistyrenu i czynniki je determinujące. 4. Metody oceny cech użytkowych styropianu. Literatura: 1. PN-88 C-89297: Oznaczanie zdolności samogaśnięcia. 2. PN-EN 12087: Określenie nasiąkliwości wodą przy długotrwałym zanurzaniu. 3. PN-66 B-04100: Oznaczanie gęstości pozornej, gęstości, porowatości i szczelności.

3 1. Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła dla przegrody płaskiej Przewodzenie polega na bezpośrednim przekazywaniu energii wewnętrznej drobinom o niższej temperaturze przez stykające się z nimi drobiny tego samego lub innego ciała posiadające wyższą temperaturę. Przewodzenie ciepła zachodzi we wszystkich stanach skupienia materii. W płynach (cieczach lub gazach) przewodzeniu mogą towarzyszyć wzajemne przemieszczenia drobin płynu. Wymiana ciepła, jaka wówczas występuje, nazywa się konwekcją, jest to więc wymiana ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego i przylegającym do niej płynem, w którym oprócz przewodzenia występuje ruch. Ten sposób wymiany ciepła nazywa się również wnikaniem ciepła (przejmowanie ciepła). Przewodzenie i konwekcja wymagają bezpośredniego kontaktu ciał wymieniających energię. Wymiana ciepła może się odbywać również bez tego kontaktu w sposób zwany promieniowaniem. Polega ono na przekazywaniu energii w formie fal elektromagnetycznych. Z punktu widzenia termodynamiki ten sposób przekazywania energii do układu lub z układu należy również zaliczyć do ciepła. Wymianę ciepła pomiędzy dwoma płynami rozdzielonymi przegrodą nazywamy ogólnie przenikaniem ciepła. Przebieg ćwiczenia 1. Przegrody z badanych tworzyw sztucznych stanowią jedną ze ścian bocznych komory pomiarowej o kształcie sześcianu, której pozostałe ściany są wykonane ze styropianu o grubości 80 mm. Wymiary zewnętrzne każdej ze ścian wynoszą mm. Wewnątrz komory pomiarowej jest umieszczone źródło ciepła zasilane energią elektryczną o regulowanej mocy oraz termopara umożliwiająca pomiar temperatury wewnątrz. 2. Ustalić moc wyjściową urządzenia grzewczego na poziomie gwarantującym uzyskanie odpowiedniej temperatury wewnątrz komory (zakres badanej temperatury C). Moc wyjściową obliczyć korzystając ze wzoru: N - dostarczona moc elektryczna, [W] Z1 - zakres pomiarowy woltomierza (2,5 lub 5), X odchylenie wskazówki woltomierza 200 Z N = X 100

4 3. Stanowisko po uruchomieniu musi osiągnąć stan ustalony, który charakteryzuje się brakiem zmian temperatury wskazywanej przez termoparę. 4. Dla stanu ustalonego moc cieplna grzejnika będzie równa mocy cieplnej przenikającej przez badaną przegrodę oraz pozostałe ściany komory pomiarowej. 5. Aby zmierzyć temperaturę na zewnątrz przegrody należy użyć kamery termowizyjnej (sposób obsługi kamery FLIR znajduje się na końcu instrukcji do ćwiczenia). Pomiaru można dokonać dwoma sposobami: a) Pomiar temperatury przy użyciu punktu pomiarowego (za pomocą miernika punktowego) - temperatura będzie wyświetlana na ekranie w miejscu miernika. W tym celu należy wykonać następującą procedurę 1 Naciśnij przycisk wyboru (Menu) 2 Za pomocą panelu nawigacyjnego wybierz opcję Pomiar 3 Naciśnij lewy przycisk wyboru (Wybierz) 4 Za pomocą panelu nawigacyjnego wybierz opcję Punkt 5 Naciśnij lewy przycisk wyboru (Wybierz)- temperatura w miejscu miernika punktowego będzie teraz wyświetlana w lewym górnym rogu ekranu. b) Pomiar temperatury przy użyciu obszaru pomiarowego - najwyższa lub najniższa temperatura na danym obszarze ( w zależności od zadeklarowanego wyboru) będzie wyświetlana w sposób ciągły, za pomocą stale poruszającego się kursora. W tym celu należy wykonać następująca procedurę 1 Naciśnij przycisk wyboru (Menu) 2 Za pomocą panelu nawigacyjnego wybierz opcję Pomiar 3 Naciśnij lewy przycisk wyboru (Wybierz) 4 Za pomocą panelu nawigacyjnego wybierz jedną z następujących opcji: Obszar maks. wyświetlana będzie maksymalna temperatura w obszarze 5 Naciśnij lewy przycisk wyboru (Wybierz)- Temperatura w miejscu miernika punktowego będzie wyświetlana w lewym górnym rogu ekranu.

5 6. Znając różnicę temperatury pomiędzy wnętrzem komory i ścianką zewnętrzną badanej przegrody wyznaczyć współczynnik przenikania ciepła k ze wzoru F2 T N = F1 k T δ α λ α N - dostarczona moc elektryczna, [W] F1 - powierzchnia przegrody z tworzywa sztucznego, [m 2 ] F2 - powierzchnia każdej ze ścianek styropianowych, [m 2 ] F 1 = F 2 = 0,34 m 0,34 m = 0,1156 m 2 T - różnica temperatury pomiędzy wnętrzem a zewnętrzną ścianką badanej przegrody, [K] α 1 współczynnik wnikania ciepła wewnątrz komory, [W/m 2 K] α 2 współczynnik wnikania ciepła na zewnątrz komory, [W/m 2 K] α 1 =α 2 = 5 W/m 2 K (przyjęto jako przybliżoną wartość dla konwekcji swobodnej w powietrzu) δ - grubość ścianki styropianowej, 0,08 m [m] λ współczynnik przewodzenia ciepła dla styropianu (0,04 W/mK) Oznaczanie zdolności samogaśnięcia Wykonanie ćwiczenia: 1. Przygotować próbkę o wymiarach 150±2 mm, szerokości 50±1 mm, grubości 13±1 mm. Wszystkie powierzchnie próbek powinny być obrabiane mechanicznie bez nagrzewania powodującego nadtapianie tworzywa oraz powinny być gładkie i wzajemnie równoległe. Na każdej próbce należy zaznaczyć linię na całej szerokości prostopadle do podłużnej osi próbki w odległości 25 mm od jednego końca próbki. 2. Zestaw do wykonania oznaczenia należy umieścić pod wyciągiem z wyłączonym wentylatorem, ponieważ przy zapalaniu próbki, jak również podczas oznaczania nie powinny występować żadne ruchy powietrza, zakłócające przebieg przeprowadzonego badania. Badaną próbkę należy umocować poziomo w uchwycie zgodnie z rysunkiem w ten sposób, aby dolna krawędź jej krótszego boku znajdowała się w odległości 13 mm od górnej krawędzi nasadki palnika i była równoległa do krawędzi dłuższego boku nasadki.

6 Rys. 1. Mocowanie próbki do oznaczenia samogaśnięcia: 1- nasadka palnika, 2 próbka, 3 palnik, 4 uchwyt obrotowy palnika, 5 uchwyt do umocowania próbek 3. Następnie umieścić pod próbką zapalony palnik, uprzednio wyregulowany do wysokości płomienia 38 mm i wysokości wewnętrznego stożka 6 mm (Rys 2.) w ten sposób aby, środek nasadki palnika pokrywał się ze środkiem dolnej krawędzi krótszego boku próbki. Rys. 2. Cechy płomienia przy oznaczaniu samogaśnięcia: 1 zakres widocznego płomienia, 2 stożek wewnętrzny płomienia, 3 palnik z nasadką szczelinową 4. Po zapaleniu się próbki palnik należy odstawić i obserwować kiedy zgaśnie paląca się próbka. 5. Wynik końcowy oznaczenia należy przyjąć za pozytywny, jeżeli dla próbki płomień zgasł przed osiągnięciem zaznaczonej linii.

7 3. Oznaczenie gęstości, porowatości i szczelności 3.1. Oznaczanie gęstości pozornej (ciężaru objętościowego) Gęstość pozorna (ciężar objętościowy) masa jednostki objętości (1 cm 3 ) materiału wraz z zawartymi w nim porami. Wykonanie ćwiczenia: Należy przygotować próbkę o kształcie sześcianu o boku 50±3 mm lub prostopadłościanu o wymiarach boków mm. Aby obliczyć objętość próbki (V) należy zmierzyć jej wymiary, mierząc z dokładnością do 0,1 mm, na środku każdej ściany. Objętość należy obliczyć do drugiego miejsca po przecinku. Gęstość pozorną C 0 badanego materiału należy obliczyć według wzoru: m masa próbki, g. V objętość próbki, cm 3. m C 0 = V 3.2. Oznaczanie gęstości (ciężaru właściwego) metoda piknometryczną Gęstość (ciężar właściwy) masa jednostki objętości (1m 3 ) materiału liczona bez porów. Polistyren, który jest półproduktem w procesie wytwarzania styropianu, zawiera w sobie niewielkie ilości pentanu, jako środka spieniającego (5% wag.). Na skutek podgrzewania granulek surowca następuje ekspansja środka porotwórczego i powiększanie objętości polimeru. Podgrzewanie surowca syntetycznego i wstępne spienianie odbywa się zwykle przy użyciu pary o temperaturze powyżej 90 C. W trakcie trwającego od 2 do 5 minut spieniania granulki polistyrenu ekspandując powiększając swoją objętość 15 do 65 razy. Powstają przy tym cząstki pianki o zamkniętej strukturze porów (Rys.3). Przebieg procesu ekspandowania jest wzmacniany poprzez dyfuzję do wnętrza cząstek gorącej pary wodnej. Materiał szkieletu, Pory powietrzne Pory wypełnione parą wodną Rys. 3. Struktura styropianu

8 Aby wyznaczyć ciężar właściwy styropianu czyli gęstość szkieletu materiału liczoną bez porów, do oznaczenia należy wziąć polistyren przed spienieniem. Gęstość potraktować jako wielkość addytywną w skład której wchodzi 0,95 części wagowej polistyrenu i 0,05 części wagowej pentanu. Wykonanie ćwiczenia 1. Przed wykonaniem ćwiczenia należy upewnić się czy piknometr jest suchy. Czysty i suchy piknometr należy zważyć z dokładnością do 0,0001 g. 2. Wypełnić piknometr 10 g badanego materiału i ponownie zważyć piknometr wraz z próbką, z taką samą dokładnością. Z różnicy wyników obu ważeń obliczyć masę pobranej do badań próbki materiału (m). 3. Następnie wlać do piknometru tyle wody destylowanej o temperaturze 20±1 C, aby pokryć nią całą próbkę. Po usunięciu powietrza należy piknometr, dopełnić do kreski lub do wierzchu ta samą cieczą i umieścić na 30 min w termostacie w temperaturze 20±1 C. 4. Po tym czasie piknometr wyjąć i trzymając go przez suchą ściereczkę, aby uniknąć straty wody wydostającej się z kanału na zewnątrz pod wpływem ogrzania ręką, usunąć wodę z powierzchni korka za pomocą zwilżonej bibuły do sączenia, a piknometr obetrzeć i zważyć wraz z zawartością z dokładnością do 0,1 mg. 5. Po zważeniu piknometr należy opróżnić, dokładnie przemyć i cały napełnić wodą destylowaną, po czym zważyć z dokładnością do 0,0001 g. 6. Gęstość C PS badanego materiału należy obliczyć ze wzoru do trzeciego znaku po przecinku C PS = m m + m m 1 2 0,998 m masa próbki wysuszonej do stałej masy, g. m 1 masa piknometru wraz z wodą, g. m 2 masa piknometru wraz z wodą i próbką, g gestość wody w temperaturze 20 C, g/cm 3. Niezależnie od właściwości fizyczno-chemicznych szkieletu materiału, w przypadku materiałów budowlanych duże znaczenie ma obecność i właściwości porów powietrznych zawartych w materiale. Pory wewnątrz materiału mogą być całkowicie suche, wypełnione wodą częściowo lub całkowicie. Ma to więc wpływ na rzeczywistą masę materiału przy różnych stopniach zawilgocenia i inne właściwości fizyczne.

9 7. Ciężar właściwy szkieletu styropianu obliczyć ze wzoru: C w = (C PS 0,05 0,626) / 0,95 C PS - gęstość polistyrenu do spieniania, g/cm 3 0,626 gęstość środka porotwórczego zawartego w ziarnach polistyrenu do spieniania, g/cm Obliczanie porowatości Porowatość całkowitą P badanego materiału należy obliczyć ze wzoru, do drugiego miejsca po przecinku: P = C w gęstość (ciężar właściwy) C 0 gęstość pozorna (ciężar objętościowy) Cw C C w Obliczanie szczelności Szczelność S, badanego materiału należy obliczyć, do drugiego miejsca po przecinku według wzoru: C 0 gęstość pozorna (ciężar objętościowy) C w gęstość (ciężar właściwy). S = C C 0 w

10 4. Określanie nasiąkliwości wodą przy długotrwałym zanurzaniu. Rys 4. Sposób umieszczenia próbki przy oznaczaniu nasiąkliwości: 1 - naczynie na wodę, 2- obciążenie utrzymujące próbkę w stałej pozycji, 3 - próbka do badań Wykonanie ćwiczenia: 1. Próbkę przeznaczoną do badań zważyć z dokładnością do 0,1 g w celu określenia jej początkowej masy m Próbkę umieścić w naczyniu z wodą w takiej pozycji, aby była całkowicie zanurzona w wodzie, a jej górna powierzchnia znajdowała się 50±2 mm poniżej poziomu wody. 3. Po 10 s próbkę wyjąć z wody i trzymając ja poziomo, w czasie 5 s umieścić na tacy z tworzywa sztucznego o znanej masie. Tacę wraz z próbką ponownie zważyć i określić masę badanej próbki z uwzględnieniem początkowo zaabsorbowanej wody m 1 4. Próbkę ponownie umieścić w naczyniu z woda i obciążyć ją, tak aby była całkowicie zanurzona w wodzie, a jej górna powierzchnia znajdowała się 50±2 mm poniżej poziomu wody. W trakcie badania sprawdzać, czy utrzymuje się stały poziom wody. 5. Metodę można zastosować tylko wówczas, gdy ilość początkowo zaabsorbowanej wody jest mniejsza lub równa 0,5 kg/m 2 wielkość tę oblicza się, stosując równanie: m m0 1 A t m 0 - masa początkowa badanej próbki, w kg. m 1 - masa badanej próbki wraz z początkowo zaabsorbowaną wodą, w kg. A t - całkowite pole powierzchni próbki poddane działaniu wody, w m 2.

11 SKRÓCONA INSTRUKCJA OBSŁUGI KAMERY TERMOWIZYJNEJ FLIR I7 1. Budowa kamery. 1. Obiektyw na podczerwień. 2. Dźwignia do otwierania i zamykania osłony obiektywu. 3. Przyciski wyzwalający rejestrację obrazów. 4. Osłona złączy oraz gniazda karty pamięci minisd 5. Pokrywa komory akumulatora. 6. Punkt zaczepienia paska na rękę.

12 1 Przycisk Archive Funkcja: naciśnij przycisk, aby otworzyć archiwum obrazów. 2 Przycisk strzałki w lewo (na panelu nawigacyjnym) Funkcja: Naciśnij, aby przejść w lewo menu, w menu niższego rzędu i w oknach dialogowych. Naciśnij, aby przemieszać się w archiwum obrazów 3 Lewy przycisk wyboru- funkcja tego przycisku jest zależna od bieżącego trybu kamery i jest ona wyświetlana na ekranie, nad przyciskiem. 4 Przycisk + (na panelu nawigacyjnym) Funkcja: Naciśnij, aby przejść w górę w menu, w menu niższego rzędu i w oknach dialogowych. Naciśnij, aby wyświetlić archiwum obrazów (po uprzednim naciśnięciu przycisku Archiwum) Naciśnij, aby zwiększyć/zmniejszyć wartość. 5 Przycisk strzałki w prawo (na panelu nawigacyjnym) Funkcja: Naciśnij, aby przejść w prawo w menu, w menu niższego rzędu i w oknach dialogowych. Naciśnij, aby przemieszczać się w archiwum obrazów. 6 Prawy przycisk wyboru funkcja tego przycisku jest zależna od bieżącego trybu kamery i jest ona wyświetlana na ekranie nad przyciskiem. 7 Przycisk On/Off Funkcja: Naciśnij, aby włączyć kamerę. Naciśnij i przytrzymaj dłużej niż sekundę, aby wyłączyć kamerę. 8 Przycisk (na panelu nawigacyjnym) Funkcja: Naciśnij, aby przejść w dół menu, w menu niższego rzędu i w oknach dialogowych. Naciśnij, aby zmniejszy/zwiększyć wartość.

13 2. Elementy ekranu 1 Menu systemowe 2 Wynik pomiaru 3 Wskaźnik zasilania 4 Data i godzina 5 Wartość ograniczenia skali temperatury 6 Skala temperatur 7 Aktualnie ustawiona wartość emisyjności lub właściwości materiału 8 Aktualna funkcja prawego przycisku wyboru 9 Aktualna funkcja lewego przycisku wyboru moc, W Zależność mocy w yjściow ej urządzenia od ustaw ień autotransformatora 192,5 157,5 132, ,5 57, , napięcie, V