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lunedì 25 luglio 2016

Isolamento con nano sfere ceramiche parte 2°

Dopo i primi esperimenti con le nano sfere ceramiche ho deciso di ripetere il test confrontando
due manufatti realizzati uno in ceramica a freddo e l'altro in ceramica a freddo mista a nano sfere cave di ceramica in rapporto d'impasto 1-1, il prodoto così realizzato risulta più leggero e con meno massa rispetto al campione in sola polvere di ceramica.

I due manufatti sono stati ottenuti dal calco in silicone di un bicchiere in pirex


Il bicchiere in pirex presenta n intercapedine con vuoto d'aria che funge da isolante, sul bicchiere come sui campioni è stato posizionato un marcatore ad emissività, lo spessore del bordo del bicchiere e dei calchi in corrispondenza del marcatore è di 6 mm.

La temperatura sarà rilevata sul marcatore, il quale permetterà anche di stabilire l'emissività della superficie di ogni contenitore ed avere un raffronto noto delle temperature di supeficie.

Nei due campioni e nel bicchiere sarà versata contemporanemante acqua calda a 50° C considerando la temperatura ambiente di 27° C questo permetterà di avere una differenza di temperatura tra acqua e abiente di 23°C, Sarà così possibile osservare il comportamento termico dei tre campioni contemporaneamente apprezzandone le diverse proprietà isolanti (se presenti )


il primo calco di destra è composto da sola ceramica in polvere, il calco centrale è stato realizzato miscelando ceramica in polvere e nano sfere ceramiche nel rapporto di volume 1 -1, a destra il campione di riferiemnto, il bicchiere in pirex con intercapedine vuota. 

La variazione della tempertura è stata monitorata con una termocamere LW scattando foto in sequenza ogni 20 secondi per 5 minuti


Situazione iniziale

T ambiente 27°C
T oggetti in equilibrio con ambiente scarto 0,7°C
T acqua inserita contemporanemante 50,5° C
Delta T acqua - abiente 23,5 °C



Il bicchiere in pirex mostra dei riflessi sulla superficie, l'emissività del vetro sarà più bassa rispetto a quella del marcatore noto, i punti di misura delle temperature saranno presi esclusivamente in corrispondenza del marcatore


Versando l'acqua calda contemporaneamente in tutti i contenitori la variazione di temperatura in superficie è quasi immediata.
Non si apprezza una differenza di temperatura significativa nei due campioni realizzati in polvere di ceramica e polvere di ceramica con nano sfere ceramiche.
La variazione minore di temperatura la si misura sul bicchiere originale in pirex


 Dopo 2 minuti

si registrano le seguenti temperature massime superficiali

Campione in polvere di ceramica 41,8°C
Campione miscela polvere di ceramica e nano sfere ceramiche 41,6°C
Bicchiere in pirex con intercapedine di aria 35,2°C

L'esperimento continua...


Dopo 4 minuti e 40 secondi dal versamento dell' acqua la situazione è la seguente

Campione in polvere di ceramica 40,8°C
Campione miscela polvere di ceramica e nano sfere ceramiche 40,6°C
Bicchiere in pirex con intercapedine di aria 36,3°C

T acqua bicchiere pirex a fine esperiemnto 48,7°C
T acqua dei due manufatti  44,3° C


La mappa termica con scala rain ad alto contrasto mostra le distribuzioni delle temperature superficiali dei campioni in prova, sembra che il campione centrale costituito da impasto 1 -1 di polvere di ceramica e nano sfere ceramiche invece che mostrare proprietà termoisolanti, dissipi maggiormente il calore.

Il bicchiere in pirex con intercapedine vuota si è dimostrato di buone proprietà termoisolanti.

Dopo l'uso di acqua calda ho ripetuto la medesima prova con acqua fredda  a 1,1°C ottenendo così un delta T tra l'acqua e l'ambiente di prova di 25,9 °C 


La situazione iniziale è praticamente identica fatto salvo per il primo contenitore che mostra una temperatura inferiore agli altri di 0,7°C (accettabile)





Dopo 40 secondi.

La trasmissione del calore in superficie inizialmente sembra essere più veloce ed uniforme nel primo campiome costituito solo da polvere di ceramica, tutta via se compensiamo il minimo scarto di temperatura registrato all' inizio possiamo asserire che la temperatura è del tutto identica al campione centrale composto di nano sfere ceramiche e polvere di ceramica.


A 2 minuti dall' inizio del test vediamo come le temperature minime dei primi due campioni siano molto simili mentre invece il campione centrale si registra una temperatura massima inferiore di 2,5 °C risptto al primo.
Svetta tra tutti il bichciere in pirex che presenta le temperature minime e massime maggiori di tutti indice di un buon isolamento termico.


Dopo 5 minuti la situazione è quasi invariata. l'unico campione a mostrate significanti proprietà isolanti è il bicchiere in pirex che ha mantenuto la tempertura interna dell' acqua a 5,3°C
contro i 10°C del primo contenitore e 7,9 °C del secondo.

A fronte di quanto provato posso asserire che la tipologia di nano sfere ceramiche da me provate e  miscelate in rapporto di volume 1-1 con un altro legante (polvere di ceramica) per realizzare un prodotto con caratteristiche termo isolanti non ha dato un risultato positivo, aumentano le proprietà termoisolanti del prodotto.

Il prodotto realizzato con le nano sfere ceramiche sembra dissipare più velocemente il calore.

Per logica comparativa non avendo ottenuto alcun vantaggio significativo su uno spessore di 5 mm non si potranno certo avere benefici mescolando il prodotto da me testato a delle vernici.

Non si è notata alcuna proprietà riflettente o basso emissiva del prodotto nella lunghezza d'onda della termocamera LW, ne si è notata la medesima proprietà nello spettro del visibile.

 A parità di spessore l'intercapedine vuota del bicchiere in pirex è risultata il miglior isolante dei 3.





giovedì 21 luglio 2016

Isolamento con nano sfere ceramiche

Prima parte



Le famose nano sfere ceramiche.... Questo prodotto ha suscitato in me molte curiosità, solitamente sono inserite come adittivo nelle vernici per renderle "termoisolanti" non ho trovato in commercio altri prodotti che ne facessero uso a eccezione di un rasante termico e sacchi o barattoli di questo prodotto fornito sfuso in varie formulazioni.

E' essenziale partire da un concetto base, ovvero il concetto di ceramica, in senso generico la ceramica è la terra cotta con un determiato procedimento, nella realtà la cosa è ben più complessa, è necessario parlare di materiali ceramici, ognuno dei quali ha proprietà fisiche e meccaniche differenti in base alla sua formulazione e processo di cottora.

Quindi quando si parla di "ceramica" bisognerebbe in realtà distinguere la tipologia e la sua composizione, ovvero è un materiale ottenuto per sintesi da varie polveri minerali, molto duro e resistente al calore, impiegato in varie tecnologie.

Le piastrelle di casa vostra non sono come le "piastrelle dello Space Shuttle"  o i denti in ceramica.
Ho fatto di proposito il richiamo allo Space Shuttle in quanto i rivenditori di queste microsfere di ceramica le associano spesso al rivestimento termico dello Shutttle, non so se è per dare autorevolezza al prodotto anche, se sono due cose differenti.

Così come la "ceramica", anche queste nano sfere di ceramica, possono avere formulazioni e composizioni differenti.

Io ho provato uno di questi prodotti fornito sciolto da aggiungere alle normali vernici ed acquistabile su E-bay o negli e-shop.

Mi interessano molto le proprietà di questo materiale che appare al tatto impalpabile e finissimo.
Disponendone in forma  sciolta ho potuto fare diverse prove in ambito delle sue proprietà termiche.

La prima cosa che ho fattò è stata osservarlo al microscopio, vi riporto sotto le immagini



  Da qui si può notare la varia granulometria dovuto al normale ciclo di produzione, la  trasparenza che hanno è indice della loro cavità.


Ho steso quindi uno strato di 2 mm di micro sfese ceramiche in forma libera su una superficie metallica riscaldata da una piastra a 350° C qui ho notato una cosa molto interessante.

La temperatura superficiale delle sfere "fluttuava" .
Creando, delle creste sulla superficie, con uno stuzzicadente, simili a dune del deserto il fenomeno, diventava maggiormente visibile sulla sommità delle creste.
Questo mi fa pensare ad una proprietà di dissipazione termica molto marcata, tutta via non ho notato alcuna proprietà riflettente, nella frequenza d'onda infrarossa degli 8-12 micron.

Dato il risultato mi sono chiesto se il prodotto fosse miscelabile con altri elementi oltre che con la vernice, al fine di creare manufatti con proprietà termoisolanti.
In linea teorica se chi produce vernici con le nano sfere ceramiche ne associa forti proprietà isolanti con spessori di pochi micron, realizzando un manufatto con uno spessore di 5mm dovrei ottenere un risultato ecezzionale.

Così ho realizzato un prototipo mediante stampo di un contenitore cilindrico di 50 x 60 mm con lo spessore delle pareti di 8 mm.
Il prototipo è costitutio da un impasto fluido di ceramica in polvere e nano sfere ceramiche miscelati tra loro in rapporto di volume 1 - 1, il risultato lo vedere qui sotto in foto, putroppo con questa miscelazione il legante è insufficiente e il prodotto risulta estremamente fragile, il primo l'ho rotto, il secondo no.

  
   L'interno è stato verniciato con un plastificante per rendere il contenitore inassorbente.

Ho quindi messo nel suo interno acqua calda a 75 °C e successivamente acqua fredda a 0 ° C ottenuta con il sistema del ghiaccio fondente.
 Il processo è stato osservato con la termocamera qui sotto potete vedere i relativi termogrammi.



 Inserendo nel contenitore acqua calda a 75°  l'esterno raggiunge dopo 10 secondi la temperatura di 45° e al termine del primo minuto 53 °C  contemporaneamente l'acqua ha abbassato la sua temperatura da 75° a 68°C

Ho ripetuto la prova con l'acqua a 0°C
Il raffreddamento è stato più lento, nel primo minuto la temperatura esterna sul recipiente è scesa da 27°C a 21°C e al termine dei 5 minuti 12°C,  la temperatura dell' acqua nel contenitore è salita da 0,2°C a 2,5



La mia curiosità aumenta, sebbene non abbia riscontrato l'isolamento termico sperato qualche risultato l'ho avuto, ma serve un confronto tra due prodotti simili.

Realizzerò due contenitori identici, partendo da uno stampo di un bicchiere in pirex con intercapedine sotto vuoto che userò come campione di riferiemnto, il primo modello sarà una copia del bicchiere in pirex realizzato con solo impasto di polvere di ceramica, il secondo modello identico per forma e dimensioni al primo sarà realizzato dalla miscela 1 -1 tra nano sfere ceramiche e polvere di ceramica, i due campioni e il modello di riferimento saranno sottoposti alle stesse prove con acqua calda e fredda, per lo stesso lasso di tempo, dandomi modo di fare un raffronto delle temperature esterne su prodotti con formulazione differente, in modo da carpirne le proprietà temoisolanti.