HDT , محدوده ايمن عملکرد يک پلاستيک گرمانرم را چگونه سنجش و ارزيابي کنيم؟

پلاستیک­ها در مقایسه با بسیاری از فلزات و مواد سرامیکی، گستره­ ی کاری محدودتری دارند،
زیرا با افزایش دما اغلب نرم  می­شوند و در بسیاری از خواصّ آن­ها به­ خصوص ­ویژگی­های مکانیکی، کاستی­های زیادی پدید می ­آید.   

در مصارف و کاربردهای واقعی، به آن درجه حرارتی که در آن خواصّ یک ماده تا آن حد تغییر می­کند
که دیگر آن قطعه پلاستیکی توانایی انجام وظایف معمول خود را به صورت مطلوب نخواهد داشت،
درجه حرارت پایداری حرارتی[1] یا درجه حرارت مُجاز کاربری حداکثر[2] می­گویند.

اصولاً پایداری حرارتی[3] یک پلاستیک تابعی از انرژی پیوندهای بین واحدهای تشکیل دهنده ملکول­های یک پلیمر است.
هنگامی که دمای یک نمونه­ ی پلاستیکی افزایش می­ یابد،
به نقطه­ ای می­رسد که انرژی نوسانی[4] باعث پارگی پیوندهای زنجیر می­شوند و پلیمر دچار تخریب حرارتی می­ گردد.

پلاستیک های مهندسی در اتومبیل پورشه

 

منظور از HDT  چیست و تفاوت آن با T_g چیست؟

در ارتباط با كاربري پلاستيك­هاي گرمانرم دو ويژگي T_m و T_g راهنماهاي بالقوه ­اي براي كاربردها و فرآیندها شکل­ دهی آن­ها محسوب مي­شوند،
اما تعيين دقيق و ايده­ آل تحمل مجاز يك پلاستيك در برابر دما را بايد در خاصیّت درجه حرارت خمیدگی (یا واپيچي) یا HDT آن جستجو كرد.

يکي از ويژگي­هاي حرارتي بسيار مهمي که در پلاستيك­هاي گرمانرم،
و حتی پلاستیک­های گرماسخت وجود دارد و كاربرد آن­ها را مستقيماً تحت تاثير خود قرار مي­دهد،
درجه حرارت انحراف گرمايي يا HDT نام دارد.

درجه حرارت خمیدگی Deflection temperature معیار و اندازه­ای برای یک پلیمر است که تا رسیدن به آن دما، توانایی تحمل تنش اعمال شده را دارد.
درجه حرارت خمیدگی، با نام درجه حرارت خمیدگی تحت بار[5] نیز شهرت دارد،
همچنین با نام درجه حرارت واپیچی گرمایی[6] هم شناخته می­شود. 

نتایج حاصل از درجه حرارت خمیدگی معیاری کاربردی و مفید برای قطعات پلاستیکی است که در حین عملکرد خود در درجه­ حرارت­های بالاتر از دمای اتاق، زیر بار قرار می­گیرند.

ویژگی HDT اغلب اوقات به عنوان درجه حرارت حداکثر مجاز برای کاربرد[7] یک قطعه محسوب می­شود،
بخصوص اگر آن قطعه برای کاربردهایی که تحت بارهای مکانیکی قرار می­گیرد.

اين ويژگي فقط به پلاستيك­هاي گرمانرم اختصاص ندارد بلکه پلاستیک­های گرماسخت نيز از این پارامتر بهره­ مند هستند.
در جدول (1) مهم­ترين خواصّ حرارتي نايلن6 نشان داده شده است.

جدول (1) مهم­ترين ويژگي­هاي حرارتي نايلن6

Nylon 6	Units	Properties
221 ± 3	°C	Melting range
53 ± 1	°C	Glass transition Temperature
1.383	J/(gr.°k)	Heat capacity, (at  0 °C)
188	J/gr	Heat of fusion
95	°C	HDT, (0.45 MPa)
170 109/90	°C	Max. allowable service temperature in air -for short time -continiously for 5000/20000 hrs
-30	°C	Min. allowable service temperature
0.29	w/(ok.m)	Thermal conductivity, (at 25 °C)

با وجودي که هر يك از دو ويژگي درجه حرارت انتقال شيشه ­اي و گستره حرارتي ذوب از اهميت فراوان برخوردارند،
ولي محدوديت­هاي مخصوص به خود را نيز دارند
مثلاً هيچ­گاه نبايد از محدوده حرارتي خاصّي به گستره ذوب يك قطعه پلاستيكي گرمانرم نزديك شد
زيرا قبل از رسيدن به اين دما معمولاً قطعه استحکام، شكل و ابعاد خود را از دست مي­دهد.

نمودار دمای انتقال شیشه ای

 همیشه این سوال مطرح است که مرز ایمن اين محدوده کجاست،
تا آسیبی به قطعه یا بلوکی که در آن فعالیت می­کند وارد نشود؟

هنگام عملکرد یک قطعه توصیه موکد می­شود که به درجه حرارت انتقال شیشه­ ای آن نزدیک نشود
زیرا تمام خواصّ آن در این محدوده حرارتی با کاهش خواصّ مواجه می­ شوند،
در حالی که در ارتباط با بسیاری از پلاستیک­ها این پارامتر (T_g) تحت تاثیر سایر ویژگی­های ساختاری و یا مواد افزودنی شرکت کننده در فرمولاسیون آن پلاستیک قرار می­ گیرد.

محدوده ايمن عملکرد يک پلاستيک گرمانرم را چگونه سنجش و ارزيابي کنيم؟

درجه حرارت انتقال شيشه ­اي (T_g) براي پليمرهاي خالص اندازه­ گيري، و در جدول­ها و کتب ثبت شده است،
حضور مواد افزودني در آميزه، اين عدد را تغيير مي­دهد
به نحوي كه می­تواند با دماي انتقال شيشه­ اي اوليه پلاستیک خالص، تفاوت بسيار زيادي داشته باشد.

درجه حرارت انتقال شيشه­ اي پی وی سی خالص برابر با 80 °C است،
در حالي كه سفره و شيلنگ­هاي آب تهيه شده از آن به خاطر حضور نرم ­كننده ،
حتي در دماي حدود 0 °C نيز همچنان نرم و انعطاف ­پذير هستند،
علت اين پديده را در كاهش دماي انتقال شيشه­اي به­ خاطر حضور نرم­ كننده بايد به حساب آورد. 

دماي انتقال شيشه­ اي پلی اتیلن سنگین (خالص) برابر با (-120/-80 °C) است،
در حالي كه علیرغم درجه حرارت انتقال شیشه­ای بسیار پایین آن،
قطعات تهيه شده از این پلاستیک به خاطر نیمه بلوری بودن آن در دمای اتاق جامد و سخت هستند.

در اغلب موارد ويژگي HDT يك قطعه پلاستيكي به طور قابل ملاحظه ­اي از درجه حرارت نقطه نرمي[8] همان پلاستيك كمتر است،
و در برخی از موارد برعکس، این ویژگی تحت تاثیر عوامل ساختاری ملکولی قرار می­گیرد
و ظهور این پدیده­ها به درجه ­حرارت­های بسیار بالاتر از درجه حرارت انتقال شیشه­ای آن پلاستیک منتقل می­گردد.

همان­گونه که در ارتباط با سایر ویژگی­های حرارتی پلاستیک­ها مشاهده می­شود،
مقدار HDT یک پلاستیک نیز شدیداً به میکرواستراکچرآن پلیمر وابسته است.

 

عوامل موثر بر HDT

میزان بلورینگی، مقدار تراکم اتصالات عرضی، حضور و میزان گروه­های عاملی حلقوی در زنجیره اصلی،
حضور و میزان اتصالات ثانویه[9]، می­توانند بر روی تغییر و افزایش پارامتر HDT موثر باشند.

دو روش آزمون استاندارد عملي دقيق وجود دارد كه در اين ارتباط كاربردهاي وسيعي پيدا كرده ­اند
و به وسيله آن­ها مي­ توان پيش­بيني­ هاي نسبتاً دقيقي از عملكرد پلاستيك­ها را در درجه حرارت­هاي بالاتر از دمای اتاق به­ دست آورد.
اين دو روش به­ نام­ هاي درجه حرارت انحراف گرمايي HDT، و درجه حرارت نقطه نرم ­شدن ويكات VSP[10] شهرت دارند.

بهترين انتخاب، تعيين دقیق درجه حرارت كاربردي پلاستيك­ها در برابر افزايش درجه حرارت است كه براي رسيدن به اين هدف، يكي از دو روش آزمون تعيين ويژگي HDT يا VSP را مي ­توان به­ كار برد.

 

تعريف HDT چیست؟

درجه حرارت واپيچي، خميدگي يا انحراف گرمايي، عبارتست از درجه حرارتي كه از طريق آزمونی تا حدی شبیه به خمش سه نقطه­ ای تعيين مي­ شود، و طي آن نمونه­ ای با ابعاد استاندارد تحت تنش ثابت، با بالا رفتن درجه حرارت، مقدار معيني خميدگي در آن به­ وجود مي­آيد.

شایان ذکر است که تعیین میزان پایداری حرارتی نمونه پلاستیکی توسط این آزمون، تنها برای استفاده­ های کوتاه مدت دارای اعتبار است.

این آزمایش مشخص کننده این واقعیّت است که مواد تحت آزمون قرار گرفته، توانایی تحمّل بارهای سبک را در دماهای بالا دارند و یا آنکه صلبیّت خود را در یک گستره حرارتی کم از دست می­ دهند.

HDT یک آزمایش مناسب و مطمئن برای کنترل قطعاتی است که در حین عملکرد خود، تحت بار قرار دارند و هم­زمان درجه حرارت محیط آن­ها نیز افزایش پیدا می­کند، با کمک این آزمایش می­توان درجه حرارت حداکثری را که طی آن تغییر ابعادی یا خمیدگی نمونه به حد مورد نظر می­رسد را اندازه ­گیری کرد.

درجه حرارتی که در آن یک آزمونه استاندارد تحت یک شرایط و بار معیّن، تغییر شکل خمشی مشخصی را ایجاد کند، درجه حرارت واپیچی گرمایی نامیده می­شود.

مقدار عددی HDT که برای یک پلاستیک بخصوص به­ دست می­آید، علاوه بر خصوصیآت و ویژگی­های ساختار ملکولی پلیمر، چنانچه با یک تقویت­ کننده همراه باشد، تحت تاثیر آن عامل تقویت­ کننده نیز قرار می­ گیرد.

در مقاله بعدی در مورد نحوه اندازه گیری HDTتوضیح داده می شود.

 مولف: مهندس سعید نعمتی
تهیه و تنظیم از تیم پلیمرسبز

 

[1] Thermal stability temperature

[2] Max. use temperature

[3] Thermal stability

[4] Vibrational energy

[5] Deflection temperature under load (DTUL)

[6] Heat distortion temperature (HDT)

[7] Max. use temperature

[8] Softening point

[9] Secondary  bonding

[10] Vicat softening point

[is_logged_in]

برای دانلود مقاله به صورت pdf کلیک نمایید.

برای دریافت مقاله به صورت فایل pdf لطفا نام و ایمیل خودرا در فرم زیر وارد نمایید تا برای شما پیامک شود

[/is_logged_in]

[is_guest]

برای دریافت مقاله به صورت فایل pdf لطفا نام و ایمیل خودرا در فرم زیر وارد نمایید تا برای شما پیامک شود و یا اگر عضو سایت هستید وارد شوید و یا ثبت نام نمایید باتشکر.

[/is_guest]

لطفا کمی صبر کنید

• 

  پکیج اندازه گیری خواص مواد پلاستیکی

  1,000,000 تومان افزودن به سبد خرید

 [ratings]