Measurement of the Thermophysical Properties of Phase Change Materials using Laser Flash

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1 Analyzing & Testing Business Unit Measurement of the Thermophysical Properties of Phase Change Materials using Laser Flash Dr. A. Lindemann, Dr. J. Blumm NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstr Selb/Germany

2 Agenda 1. Flash-Technik Einführung 2. Netzsch LFA-Systeme LFA 467 HyperFlash LFA 457 MicroFlash Probenhalter für spezielle Anwendungen 3. Flash-Technik Anwendungen Polycarbonat Gummimischung NR/BR Harzsystem PCM 1

3 Flash-Technik Einführung Ein kurzer Puls führt zum Temperaturanstieg auf der Rückseite Measurement Principle introduced by Parker et al. in 1961 The front surface of a planparallel sample is heated by a short light or laser pulse The temperature rise on the rear surface is measured versus time using an IR detector 2

4 Flash-Technik Einführung Temperaturanstieg wird berührungslos gemessen (IR-Sensor) a d t 2 1/ 2 T max 1 m c p T a T cp T T 3

5 Flash-Technik Einführung Flash-Technik überdeckt den größten Anwendungsbereich 4

6 Agenda 1. Flash-Technik Einführung 2. Netzsch LFA-Systeme LFA 467 HyperFlash LFA 457 MicroFlash Probenhalter für spezielle Anwendungen 3. Flash-Technik Anwendungen Polycarbonat Gummimischung NR/BR Harzsystem PCM 5

7 Netzsch LFA-Systeme für nahezu alle Anwendungsbereiche LFA 467 HyperFlash -100 C to 500 C Sample changer for 16 samples ZoomOptics - IR detector Fastest data acquisition LFA 457 MicroFlash -125 C to 1100 C Sample changer for 3 samples LFA C to 2800 C 6

8 Netzsch LFA-Systeme - LFA 467 HyperFlash Die Probe wird mit einer Xenon-Blitzlampe erwärmt (Puls < 1ms) LFA 467 HyperFlash -100 C to 500 C Sample changer for 16 samples ZoomOptics - IR detector Fastest data acquisition 7

9 Netzsch LFA-Systeme - LFA 457 MicroFlash Der Laserstrahl wird über einen Spiegel umgelenkt LFA 457 MicroFlash -125 C to 1100 C Sample changer for 3 samples 8

10 Netzsch LFA-Systeme spezielle Probenhalter Verfügbar für alle Flash-Systeme Laminate Liquids & Pastes In-Plane Pressure Powders 9

11 Agenda 1. Flash-Technik Einführung 2. Netzsch LFA-Systeme LFA 467 HyperFlash LFA 457 MicroFlash Probenhalter für spezielle Anwendungen 3. Flash-Technik Anwendungen Polycarbonat Gummimischung NR/BR Harzsystem PCM 10

12 Flash-Technik Anwendungen Polymerschmelzen / Erweichungen (T > Tg) sind gut messbar Messungen an transparenten / nicht formstabilen Materialien (Polycarbonat) LFA 447 NanoFlash RT to 300 C 11

13 Flash-Technik Anwendungen Genaue Messwerte auch unterhalb Raumtemperatur Thermal Diffusivity /mm²/s Specific Heat / J/(g*K) Thermal Conductivity /W/(mK) Messungen im Tieftemperaturbereich Sample: Filled NR/BR Thickness: mm Width: mm Thermal Diffusivity Thermal Conductivity Specific Heat LFA 457 MicroFlash -125 C to 1100 C Temperature / C

14 Flash-Technik Anwendungen Epoxidharze finden breite Anwendung in Forschung u. Industrie Messungen an Harzsystemen 13

15 New Sample Holder for Liquids / Resins Liquid is measured between 2 steel plates (3-layer model) New sample holder for liquids, pastes and resins easy to use Improved mechanical stability Peek ring and metal plates can be replaced (expendable parts) 14

16 Flash-Technik Anwendungen Messungen in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit sind möglich Änderung der Wärmeleitfähigkeit beim Aushärten Thermal Diffusivity / mm²/s Epoxidharz Momentive Epikote EPH (100g) Härter Epikure EPH 943 (24g) 100 C 80 C 60 C 100 C 80 C 60 C Thermal Conductivity / W/(m*K) Time /min 15

17 Flash-Technik Anwendungen TPP of PCM DSC Melting Peaks of PCM (similar to Paraffin) DSC /(mw/mg) exo 5 Heating Onset: C Peak: C 0-5 End: C Cooling Peak: C Temperature / C 16

18 Flash-Technik Anwendungen TPP of PCM LFA Thermal Diffusivity of PCM (similar to Paraffin) 0.4 Thermal Diffusivity / mm²/s Standard sample holder solid PCM_Cooling PCM_Heating 0.1 liquid Temperature / C 17

19 Flash-Technik Anwendungen TPP of PCM LFA + DSC: Thermal Conductivity of PCM (similar to Paraffin) Density: 1.5 g/cm³ Thermal Diffusivity / mm²/s Diffusivity ThermalConductivity SpecificHeat Thermal Conductivity / W/(m*K) Specific Heat / J/(g*K) Temperature / C 18

20 Apparent Thermal Diffusivity / mm²/s Multi-Layer Analysis Paraffin-Mixture in a Platinum Container Apparent Specific Heat / J/(g*K) Apparent Specific Heat Apparent Thermal Diffusivity Critical, LFA not defined. Does it make sense? Sample: Paraffin Thickness: mm Density (35 C): g/cm³ Temperature / C 0 PCM-Presentation 19

21 Multi-Layer Analysis Paraffin-Mixture in a Platinum Container Apparent Thermal Diffusivity / mm²/s Test Results at 0 C Tests Results at 25 C Linear Regression at 0 C Linear Regression at 25 C 0.04 Possible Correction Pulse Integral / arb. units PCM-Presentation 20

22 Multi-Layer Analysis Paraffin-Mixture in a Platinum Container Corrected Thermal Diffusivity Apparent Specific Heat Apparent Thermal Diffusivity Interpolated Specific Heat 50 Thermal Diffusivity / mm²/s Sample: Paraffin Specific Heat / J/(g*K) Thickness: mm Density (35 C): g/cm³ Temperature / C 0 PCM-Presentation 21

23 Conclusion Laser flash method is a fast and reliable technique for material characterization According to various national and international standards Characterization of PCM possible with proper sample holders 22

24 Thank you for your attention! 23

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