Caracterização térmica em estado estacionário e transiente de materiais de características térmicas inovadoras

Abstract

O estudo das propriedades térmicas de um material apresenta uma importância ampliada durante o seu processo de caracterização, de modo a garantir o desenvolvimento de materiais com um desempenho térmico adequado e prevenir perdas energéticas. Assim, a determinação destas propriedades e o estudo do perfil de aquecimento de um dado material é importante pois garante que a sua futura aplicação é compatível com o seu desempenho. Tendo estas observações presentes, nesta dissertação pretendeu-se recorrer a dois métodos estabelecidos, calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e termografia de infravermelhos (IV), para proceder à análise térmica de uma série de materiais poliméricos, de modo a comparar estes resultados entre si e com valores obtidos noutros estudos ou descritos na bibliografia, para validação das duas técnicas. A técnica de DSC foi aplicada na determinação da condutividade térmica das amostras, com recurso ao Gálio como referência de temperatura de fusão, e na determinação da capacidade calorífica específica das amostras por um método convencional. Estas análises forneceram resultados consistentes com as propriedades que já eram conhecidas para os materiais avaliados. Para a técnica de termografia de IV, avaliou-se o desempenho de placas de aquecimento comerciais, como fonte de estímulo térmico nas amostras, que demonstraram uma baixa uniformidade térmica, superficial e temporal, sendo apenas utilizável uma pequena área superficial que só permitia a análise de uma amostra de cada vez. De modo a tentar ultrapassar estas desvantagens desenvolveu-se uma placa de aquecimento com as propriedades ideais para ser aplicada neste tipo de estudos. Esta placa, baseada numa folha de carbono, foi avaliada por termografia de IV, e demonstrou uma elevada uniformidade, velocidade de aquecimento adequada, versatilidade ampliada e baixo custo de construção. Após esta caracterização inicial, a placa foi aplicada na avaliação do perfil de aquecimento das várias amostras poliméricas e forneceu resultados que se encontram em conformidade com aqueles obtidos nos estudos de DSC. Assim, concluiu-se que a aplicação destas duas técnicas, em simultâneo, permite uma análise térmica adequada de materiais poliméricos e, em adição, produziu-se uma placa de aquecimento inovadora que pode ser aplicada neste e noutros estudos.

The studying of material’s thermal properties is an important step in its characterisation to ensure the development of materials with an adequate thermal performance and prevent energy losses. The determination of these properties and the evaluation of the material’s heating profile is important because it ensures that its future application is suitable with its performance. With these observations in mind, in this dissertation we used two established methods, differential scanning calorimetry (DSC) and infrared thermography, to do the thermal analysis of various polymeric materials and compare these results with the values obtained in other studies or described in the bibliography to validate these two techniques. The DSC technique was applied in the determination of the material’s thermal conductivity, with the use of Gallium as a melting temperature’s reference, and in the determination of specific heating capacity with a conventional method. The results of these analysis were consistent with the previously known properties for the evaluated materials. Using infrared thermography, we evaluated the performance of commercially available hot plates, as a thermal stimulus for the samples, that showed low thermal uniformity, in terms of surface and time, and a little superficial area that only allowed for the analysis of a sample at a time. To overcome these problems, we developed a new hot plate with the ideal properties to be applied in this kind of study. This plate, based on a carbon sheet, was evaluated through infrared thermography and it showed a high uniformity, adequate heating speed, high versatility and low cost of construction. After this initial characterization, the plate was applied in the evaluation of the samples’ heating profiles and it gave results that were consistent with those obtained by DSC analysis. Thus, we concluded that the use of these techniques, simultaneously, allows for an adequate thermal analysis of polymeric materials and, additionally, we produced an innovative hot plate that may be applied in these and other studies.