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Conductivité thermique d’un isolant suivant son épaisseur

Dans cet exemple d’application, nous avons mesuré la conductivité thermique d’un isolant suivant son épaisseur. Pour cela, nous avons mesuré un échantillon de polystyrène extrudé à différentes épaisseurs à l’aide de l’analyseur thermique HFM-100 de Thermtest. Conductivité thermique suivant l'épaisseur Le polystyrène extrudé est un matériau de construction hautement isolant, généralement installé à l’extérieur des murs de façade ou à l’intérieur des murs de fondation. Il est donc important de connaître les valeurs de conductivité thermique du polystyrène extrudé pour déterminer le potentiel isolant d’un bâtiment. Son objectif est de minimiser les pertes de chaleur dans les bâtiments afin de réduire les coûts d’exploitation. Le polystyrène extrudé est souvent confondu avec le polystyrène expansé. Bien que similaires sous certains aspects, tels que leur composition (polystyrol polymérisé), ces deux matériaux isolants sont très différents. Le polystyrène extrudé est obtenu par un processus appelé extrusion, d’où son nom. Au cours de ce processus, le matériau en polystyrène est extrudé à travers une filière, ce qui entraîne son expansion dans un panneau isolant à cellules fermées uniforme (Figure 2). Le polystyrène expansé, quant à lui, est obtenu en plaçant de petites billes de mousse dans un moule et en appliquant de la vapeur pour dilater les billes afin de former un panneau isolant (Figure 2). Le processus de fabrication du polystyrène expansé génère des vides entre les perles de mousse, favorisant la pénétration d’humidité.  

Le HFM-100 est un appareil de mesure de la conductivité thermique des matériaux d’isolation et de construction, développé par la société canadienne Thermtest. Il vous permet de réaliser des mesures précises et fiables sur vos échantillons.

 

Analyseur de conductivité thermique pour les matériaux isolants – HFM

Conductivité thermique suivant l'épaisseurL’analyseur thermique de Thermtest, le HFM-100 ou Heat Flow Meter, est un système basé sur la méthode fluxmétrique. Il sert à mesurer la conductivité thermique et la résistance thermique des matériaux isolants tels que les mousses, les solides et les textiles (Figure 3). Le HFM-100 mesure la conductivité thermique sur une plage de 0,005 à 0,5 W/m.K pour des températures allant de -20°C à 70°C, conformément à la norme ASTM C518-15 – Standard Test Method for Steady-State Thermal Transfer Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus. Avec cette technique, les utilisateurs peuvent s’attendre à un degré élevé de précision (3%).  

Calibration du HFM

Conformément à la norme ASTM C518-15, pour garantir le bon fonctionnement du HFM-100, l’appareil doit être calibré avec des matériaux ayant une conductivité thermique et une épaisseur similaires à celles des matériaux à analyser. En mesurant un échantillon de référence à une épaisseur donnée, le HFM-100 est calibré pour cette épaisseur. Toutefois, si des essais doivent être effectués sur différentes épaisseurs autres que l’épaisseur calibrée, une étude approfondie de l’erreur du HFM-100 pour d’autres épaisseurs doit être menée. Pour cette expérience, les chercheurs de Thermtest ont voulu tester les limites de précision du HFM-100 en mesurant plusieurs épaisseurs d’échantillons basées sur une seule épaisseur de calibration.  

Mise en place d’un essai de conductivité thermique d’un isolant suivant son épaisseur avec le HFM

Conductivité thermique suivant la températurePour commencer, un échantillon de calibration (ici l’échantillon référence NIST SRM 1450d d’épaisseur 1″ / 26 mm) est placé dans le HFM-100. Afin de simuler les pertes de chaleur d’un bâtiment de l’intérieur vers l’extérieur, un gradient de température de 20°C est imposé entre les plaques (plaque chaude : 30°C – plaque froide : 10°C). La plaque supérieure est ensuite réglée pour s’abaisser automatiquement à la surface de l’échantillon. Le HFM-100 détermine automatiquement l’épaisseur de l’échantillon en utilisant quatre encodeurs numériques situés aux quatre coins de la plaque supérieure. Chaque encodeur numérique mesure l’épaisseur à sa position, puis une moyenne est calculée. Cette mesure automatique de l’épaisseur a une précision d’environ 0,1 mm. Si l’échantillon à mesurer est compressible, il est préférable d’imposer l’épaisseur en rentrant une valeur manuellement dans le logiciel. À températures constantes mais distinctes, un flux de chaleur constant et unidimensionnel s’établit entre les deux plaques du HFM-100 à travers l’échantillon. Les thermocouples intégrés dans chacune des plaques mesurent la température de part et d’autre de l’échantillon référence. Les transducteurs de flux, en contact avec les plaques supérieure et inférieure, collectent des données sur le flux de chaleur traversant l’échantillon. La loi de Fourier de conduction thermique est ensuite utilisée pour calculer la conductivité thermique (λ) :

λ = ϕ.e / ΔT

ϕ = densité de flux thermique (W/m²)

e = épaisseur de l’échantillon (m)

ΔT = gradient de température à travers l’échantillon (°C)

Une fois la calibration effectuée, chaque épaisseur d’échantillon de polystyrène extrudé a été mesurée conformément aux étapes décrites ci-dessus.  

Mesure de la conductivité thermique d’un isolant suivant son épaisseur avec le HFM

L’objectif de cette expérience était de déterminer la précision du HFM-100 sur la mesure de conductivité thermique de différentes épaisseurs de polystyrène extrudé à 20°C avec un seul et même échantillon de calibration. Comme nous pouvons le voir sur le Graphique 1, les valeurs de conductivité thermique mesurées à différentes épaisseurs comprises entre 10,1 mm et 40,4 mm sont conformes aux valeurs de conductivité thermique mesurées à 26 mm sur l’échantillon référence (moins de 3% d’erreur). Ces résultats sont en corrélation avec les résultats d’une expérience réalisée par Al-Ajlan en 2006 et avec les données fournies par le fabricant.

Conductivité thermique suivant l'épaisseur

Graphique 1. Mesure de la conductivité thermique et de la résistance thermique réalisées avec le HFM-100 sur différentes épaisseurs de polystyrène extrudé. Échantillon de calibration unique : NIST SRM 1450d (26 mm). Température moyenne d’essai : 20°C.

 

Résultats des essais de conductivité thermique d’un isolant suivant son épaisseur avec le HFM

Al-Ajlan (2006) indique que le fabricant annonçait une conductivité thermique du polystyrène expansé de 0,034 W/m.K. Cette conductivité thermique est légèrement supérieure à celle fournie par le fabricant pour le polystyrène extrudé (0,032 W/m.K). Bien que le polystyrène extrudé ait une conductivité thermique légèrement inférieure, le rendant plus susceptible de protéger votre habitation contre les changements de température non désirés, son coût est nettement plus élevé que celui du polystyrène expansé. Une attention particulière doit donc être portée au choix de vos panneaux isolants afin de sélectionner une mousse adaptée à vos besoins. Le HFM-100 de Thermest est une méthode rapide, fiable et efficace pour mesurer la conductivité thermique de vos solides, mousses et textiles. Le but de cet article n’est pas de vous encourager à mesurer différentes épaisseurs d’échantillons avec une seule et même épaisseur de calibration, mais simplement de vous prouver que le HFM-100 est capable de mesurer précisément des échantillons même s’ils présentent de légères variations d’épaisseur par rapport à l’échantillon de calibration.  

En savoir plus sur le HFM-100

Pour en savoir plus sur cet analyseur thermique, retrouvez toutes les informations et spécifications de ce produit sur notre page internet dédiée au HFM-100. Vous pourrez également y télécharger une plaquette ou demander un devis.

Découvrir le HFM-100