منطقه ایمن عملکرد یک پلاستیک قسمت دوم

 

تعريف VSP : درجه حرارت نقطه نرمی ویکات، که به آن سختی ويکات[1] نیز گفته مي­شود، عبارتست از تعیین نقطه نرمی­ براي پلاستیک­های گرمانرمی که دارای گستره ذوب دقیق و مشخصی نیستند، مانند پلاستیک­های آمورف.

نحوه اندازه­ گیری این پارامتر به این شیوه است که نمونه­ای استاندارد به ابعاد 10 × 10 mm و ضخامت (3-6.5 mm) تحت بار 10 N یا 50 N قرار می­گیرد، نیرو از طریق سنبه­ای با سطح مقطع مربع یا مدوّر به مساحت 1 mm² به وسط سطح آزمونه، درون حمامی که سیال آن را روغن سیلیکونی، گلسیرین، یا اتیلن­گلایکول تشکیل می­دهد، منتقل می­ شود.

با افزایش درجه حرارت محیط و ­ازدیاد نوسانات ملکولی و کاهش نیروهای فیزیکی بین ملکولی نمونه، پلاستیک نرم­ تر می­ شود تا آن حد که سوزن بتواند  در داخل نمونه 1 mm نفوذ کند. 

نفوذ یک میلیمتر در داخل آزمونه، به منزله­ ی پایان آزمایش است و درجه حرارتی که در آن این لحظه باعث ظهور این  پدیده شده است به­ نام درجه حرارت نقطه نرمی ویکات آن پلاستیک نامیده می­ شود.

شماره روش آزمون استانداردی که بر اساس آن می­توان این آزمایش را انجام داد ASTM D 1525-07  می­باشد، شایان ذکر است که ISO 306  نیز انطباق زیادی با نسخه­ ی ASTM معادل آن دارد.

در شکل (1) نمایی از سوزن دستگاه اندازه ­گیری نقطه نرمی ویکات نشان داده شده است. در جدول (4) درجه حرارت نقطه نرمی چند پلاستیک آمورف که امکان تعیین محدوده ذوب آن­ میسّر نیست نشان داده شده است.

 شکل (1) نمایش سوزن دستگاه اندازه­ گیری نقطه نرمی ویکات

 

 

 

 

جدول (4) درجه حرارت نقطه نرمی چند پلاستیک آمورف که امکان تعیین محدوده ذوب آن­ها­ میسّر نیست 

Melting or Softening Range( °C )

Thermoplastics

70-115(softens) 75-90 (softens)   about 110 about 120 about 130 125-135 115-140 (softens) 120 (softens) 125-175 130-150 (softens) 165-185 160-170 170-180 180-190 200-220 210-220 215-225 220-230 225-230 250-260 255-265 325-335

Polystyrene Polyvinyl chloride Polyethylenes density 0.92 g/cm3 density 0.94 g/cm3 density 0.96 g/cm3 Polybutene-1 Polyvinylidene chloride Polymethyl methacrylate Cellulose acetate Polyacrylonitrile Polyoxymethylene Polypropylene Nylon 12 Nylon 11 Polytrifluoro chloro ethylene Nylon 6,10 Nylon 6 Polycarbonate Polybuthylene terephthalate Polyethylene terephthalate Nylon 6,6 Polytetrafluoroethylene(Teflon)

 

آشنایی با استاندارد ASTM D 648 و ویژگی­های آن

روش آزمون معمول برای انجام این آزمایش (ASTM D 648-06) است که معادل ISO آن ISO 75  مي­ باشد.

این آزمایش به ­طور ویژه برای کنترل و بهبود کیفیّت کاری نمونه­ های تحت بررسی مفید است.

درجه حرارت کاربردی حداکثر یک پلاستیک، از روی پایین­ ترین درجه حرارتی که در آن تغییری در خواصّ پدید می­ آید، برای کاربرد تحت آزمایش، مشخّص می­ شود.  

با کمک این آزمایش مرز مجاز درجه حرارت کاری قطعه ­ی پلاستیکی مورد نظر مشخّص می­ شود.

آزمایش تعیین درجه حرارت انحراف گرمایی، جزء آزمون­های معتبر برای کوتاه[2] مدت است، بنابر این در طراحی قطعه به تنهایی نباید مورد استناد قرار گیرد.

 پارامترهای دیگر مانند مدت زمانی که نمونه در معرض حرارت بالا قرار می­ گیرد، سرعت بالا رفتن درجه حرارت در حین انجام آزمایش، وزن بار ثابتی که به آزمونه اعمال می­شود، و ابعاد نمونه روی عملکرد آن موثرند و HDT  آن را تغییر می ­دهند.

استفاده از دو بار ثابت (0.46 MPa), (66 Psi)  و (1.8 MPa), (264 Psi) در این آزمایش معمول­ تر است، هر چند بنابر ضرورت گاهی از دو بار ثابت (5.0 MPa), (725 Psi) و (8.0 MPa), (1160 Psi) نیز در انجام این آزمایش استفاده می ­شود.

 

نحوه­ ی انجام آزمایش تعیین درجه حرارت واپیچی

نمونه­ های پلاستیکی که برای انجام این آزمایش انتخاب می ­شوند باید در دمای اتاق، سخت یا نیمه سخت باشند.

ابعاد نمونه ­های استاندارد که در روش آزمون (ASTM D 648-06) برای انجام این آزمایش پیشنهاد شده­ اند برابر با    5 × 0.5 × 0.25 inch که معادل با 127 × 13 × 3 mm  می­­ باشند

طبق روش آزمون (ASTM D 648-06) در اين آزمون بنابر نرمي يا سختي نمونه تحت آزمون از يكي از دو وزنه    66 Psi يا 264 Psi استفاده مي­  كنند.

جهت اعمال نیرو بر آزمونه­ ها باید به صورت عمود بر سطح و در جهت ضخامت آن­ها وارد می­ شود.

قبل از شروع آزمایش ابتدا نمونه­ هاي استاندارد را روي دوپايه نگهدارنده قرار داده، درحالی که تنش خمشي معيّن بر وسط آن­ها اعمال می ­­شود، به داخل حمامی از روغن سیلیکون وارد گردند.

سرعت افزايش دمای حمام اين آزمايش 2 °C/min پيشنهاد شده، تا آنکه نمونه­ های تحت تنش خمشی به درجه حرارتی برسند که ميزان خمش نمونه 0.25 mm گردد، در این لحظه آزمايش تمام، و نتيجه ثبت مي­ شود. 

نمونه­ های مناسب از نظر استاندارد برای انجام این آزمایش، اولاً هم­جنس با سطوحی کاملاً صاف باشند، ثانیاً از نظر تعداد حضور حداقل دو عدد پیشنهاد شده ­است.

در شكل (2) تصويري نمادين از قسمت­هاي مهم دستگاه اندازه­ گيري­ كننده درجه­ حرارت انحراف گرمايي نشان داده شده است. در شكل (3) تصوير حقیقی یک دستگاه اندازه­ گيري­ كننده درجه­­ حرارت انحراف­ گرمايي نشان داده شده است.

شكل (2) ارائه­ ي تصويري نمادين از قسمت ­هاي مهم يك دستگاه اندازه­ گيري­ كننده درجه ­حرارت انحراف گرمايي

 

در هر آزمايش بهتر است پنج یا شش نمونه تحت آزمایش قرار داده ­شوند، پس از شروع آزمون و با بالا رفتن دما، اولين نمونه به درجه حرارت انحراف گرمايي مي­ رسد در همين لحظه دستگاه با زدن بوق دما و شماره نمونه را ثبت مي ­كند، مدت كوتاهي بعد دومين و سومين و چهارمين و پنجمين نمونه به دماي HDT خود مي­ رسند.

شكل (2) ارائه­ ي تصويري حقیقی از قسمت­هاي مهم يك دستگاه اندازه ­گيري­ كننده درجه­ حرارت انحراف گرمايي

 

دستگاه با گرفتن ميانگين از نتايج به­دست آمده، درجه انحراف گرمايي پلاستيك تحت آزمايش مشخّص مي­ کند.

در جدول (5) درجه حرارت خمیدگی یا واپیچی تعدادی از پلاستیک­های مهندسی و صنعتی نشان داده شده است.

 

                    جدول (5) ارائه­ ی درجه حرارت خمیدگی یا واپیچی تعدادی از پلاستیک­های مهندسی و صنعتی

High ( °C)	Low ( °C)	Plastics	High ( °C)	Low ( °C)	Plastics
232 360     135 174 232 271     66 91	193 238     100 174 195 204     66 70	Polyimids PEI PI Sulfur containing polymrs PPS PSU PES PAS Aditional thermoplastics ANC TPU	44 91 60   74 96 104 104 118   100 85   77 112   95 104 60 70   66 66 85 174 355 132   136 149 170 166   90 --- 118	38 79 45   76 77 93 101 101   68       75   60 94   68 75 40 35   21 63 50 110 180 121   85 107 162 160   46 126 54	Polyolefins LDPE HDPE PP Styrenics PS HIPS ABS SAN SMA Acrylics PMMA PVC/MA Polyvinylchlorides PVC CPVC Polyamids N6 N66 N11 N12 Polyesters PET PETG PBT PAR LCP PC Polyethers POM PPO PAEK PEEK Fluoroplastics PTFE CTFE PVDF

 

 

 

 

موارد کاربردی درجه حرارت واپیچی گرمایی

یکی از موارد مهم کاربرد پارامتر  HDTبراي پلاستيك­هاي گرمانرم در هنگام قالب­گيري تزریقی، تشخيص رسیدن  دمای مذاب پلیمری به درجه حرارت کمتر از HDT پلاستیک قالب­گیری شده در داخل قالب، و فرا رسیدن زمان مناسب برای خروج قطعه از قالب است، که از این نظر HDT پارامترهاي بسیار مهم و كليدي به حساب مي­آيد.

اگر هنگام سرد شدن قالب­ و بيرون آوردن قطعه از قالب، دماي پلاستیک بالاتر از HDT آن باشد، چون قطعه هنوز ثبات ابعادي خود را به ­دست نياورده، در اثر تنش­ هاي وارد بر آن براي خروج از قالب، آسيب مي ­بيند و به خاطر نيروهاي وارد بر آن كج و  فرو رفته مي­ شود.

ثابت شده است كه از نظر قوام ثبات ابعادي پلاستيك­ها در برابر افزايش درجه حرارت، و عدم ایجاد نیروی پسماند در قطعه قالب­گیری شده، توجه به ویژگی HDT و رعایت آن از اهمیّت زیادی برخوردار است.  

در طراحی، جایگزینی، انتخاب پلاستیک­­ها و پيش­بيني صحيح خواصّ حرارتی یک قطعه­ ی پلاستیکی ویژگی HDT از جمله پارامترهای بسیار مهمی است که باید مورد رجوع و توجه قرار گیرد. 

این درجه حرارت در بین انواع و حتی گونه­های هر مجموعه از پلاستیک­ها تغییر می­کند و به تبع در کاربردهای آن­ها نیز تفاوت­ هایی مشاهده می­ شود.

هنگامی که یک ماده پلاستیکی در ساخت یک ماشین ظرف­شویی مورد استفاده قرار می ­گیرد و ایمنی کاربرد آن از سوی سازنده اعلام می­شود، در بر دارنده این حقیقت است که در حین عملکرد قطعات در تماس مستقیم با مواد شوینده و حرارت (تا حدود 85 °C) دچار تعییرات ابعادی واپیچی نمی­شود، در حالی که ممکن است برخی از مواد پلاستیکی دیگر تا این درجه حرارت تاب بردارند، و شکل خود را از دست بدهند، و مطمئناً در دمای بالا مواد شوینده تاثیر تورمی و انحلالی روی گروهی از پلاستیک­ها خواهند داشت، که در طراحی قطعات این ماشین، پایداری شیمیایی قطعات در برابر شوینده در درجه حرارت عملکرد دستگاه در نظر گرفته شده است. 

 

منابع و مراجع

1. نعمتي سعید، شرح و بررسي ويژگي‌هاي شيميايي، حرارتي و مکانيکي پلاستيک‌هاي گرمانرم مهندسي و فوق مهندسي، چاپ اول، انتشارات دادخواه، 1393.
2. نعمتی سعید، کنترل کیفیّت پلاستیک­های گرمانرم، (مراحل ارزیابی را طی می­کند).
3. روش آزمون استانداردASTM D 648-06 برای اندازه­گیری درجه حرارت خمیدگی گرمایی پلاستیک­ها
4. روش آزمون استانداردASTM D 1525-06 برای اندازه­گیری درجه حرارت نرمی (ویکات) پلاستیک­ها
5. www.polymeresabz.com
6. Harper C.A, Baker A. M., Mead J. , Handbook of plastics, Elastomers and composites, fourth edition, McGraw-Hill, university of Massachusset, Massachusset.
7. MatWeb.com/reference/deflectio temperature.aspx.

سعید نعمتی

 

[1] Vicat hardness

[2] Short term

[ratings]