HDT , محدوده ایمن عملکرد یک پلاستیک گرمانرم را چگونه سنجش و ارزیابی کنیم؟
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 یا درجه حرارت مُجاز کاربری حداکثر میگویند.
اصولاً پایداری حرارتی 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 باعث پارگی پیوندهای زنجیر میشوند و پلیمر دچار تخریب حرارتی می گردد.
منظور از HDT چیست و تفاوت آن با Tg چیست؟
در ارتباط با کاربری پلاستیکهای گرمانرم دو ویژگی Tm و Tg راهنماهای بالقوه ای برای کاربردها و فرآیندها شکل دهی آنها محسوب میشوند، اما تعیین دقیق و ایده آل تحمل مجاز یک پلاستیک در برابر دما را باید در خاصیّت درجه حرارت خمیدگی (یا واپیچی) یا HDT آن جستجو کرد.
یکی از ویژگیهای حرارتی بسیار مهمی که در پلاستیکهای گرمانرم، و حتی پلاستیکهای گرماسخت وجود دارد و کاربرد آنها را مستقیماً تحت تاثیر خود قرار میدهد، درجه حرارت انحراف گرمایی یا 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 نیز شهرت دارد،
همچنین با نام درجه حرارت واپیچی گرمایی 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 یک قطعه محسوب میشود، بخصوص اگر آن قطعه برای کاربردهایی که تحت بارهای مکانیکی قرار میگیرد.
این ویژگی فقط به پلاستیکهای گرمانرم اختصاص ندارد بلکه پلاستیکهای گرماسخت نیز از این پارامتر بهره مند هستند.
در جدول (۱) مهمترین خواصّ حرارتی نایلن۶ نشان داده شده است.
جدول (۱) مهمترین ویژگیهای حرارتی نایلن۶
Nylon 6 | Units | Properties |
۲۲۱ ± ۳ | °C | Melting range |
۵۳ ± ۱ | °C | Glass transition Temperature |
۱٫۳۸۳ | J/(gr.°k) | Heat capacity, (at ۰ °C) |
۱۸۸ | J/gr | Heat of fusion |
۹۵ | °C | HDT, (0.45 MPa) |
۱۷۰۱۰۹/۹۰ | °C | Max. allowable service temperature in air-for short time-continiously for 5000/20000 hrs |
-۳۰ | °C | Min. allowable service temperature |
۰٫۲۹ | w/(ok.m) | Thermal conductivity, (at 25 °C) |
با وجودی که هر یک از دو ویژگی درجه حرارت انتقال شیشه ای و گستره حرارتی ذوب از اهمیت فراوان برخوردارند، ولی محدودیتهای مخصوص به خود را نیز دارند
مثلاً هیچگاه نباید از محدوده حرارتی خاصّی به گستره ذوب یک قطعه پلاستیکی گرمانرم نزدیک شد زیرا قبل از رسیدن به این دما معمولاً قطعه استحکام، شکل و ابعاد خود را از دست میدهد.
همیشه این سوال مطرح است که مرز ایمن این 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 (Tg) تحت تاثیر سایر ویژگیهای ساختاری و یا مواد افزودنی شرکت کننده در فرمولاسیون آن پلاستیک قرار می گیرد.
محدوده ایمن عملکرد یک پلاستیک گرمانرم را چگونه سنجش و ارزیابی کنیم؟
درجه حرارت انتقال شیشه ای (Tg) برای پلیمرهای خالص اندازه گیری، و در جدولها و کتب ثبت شده است، حضور مواد افزودنی در آمیزه، این عدد را تغییر میدهد به نحوی که میتواند با دمای انتقال شیشه ای اولیه پلاستیک خالص، تفاوت بسیار زیادی داشته باشد.
درجه حرارت انتقال شیشه ای پی وی سی خالص برابر با ۸۰ °C است، در حالی که سفره و شیلنگهای آب تهیه شده از آن به خاطر حضور نرم کننده ، حتی در دمای حدود ۰ °C نیز همچنان نرم و انعطاف پذیر هستند، علت این پدیده را در کاهش دمای انتقال شیشهای به خاطر حضور نرم کننده باید به حساب آورد.
دمای انتقال شیشه ای پلی اتیلن سنگین (خالص) برابر با (-۱۲۰/-۸۰ °C) است، در حالی که علیرغم درجه حرارت انتقال شیشهای بسیار پایین آن، قطعات تهیه شده از این پلاستیک به خاطر نیمه بلوری بودن آن در دمای اتاق جامد و سخت هستند.
در اغلب موارد ویژگی HDT یک قطعه پلاستیکی به طور قابل ملاحظه ای از درجه حرارت نقطه نرمی همان پلاستیک کمتر 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 ، میتوانند بر روی تغییر و افزایش پارامتر HDT موثر باشند.
دو روش آزمون استاندارد عملی دقیق وجود دارد که در این ارتباط کاربردهای وسیعی پیدا کرده اند و به وسیله آنها می توان پیشبینی های نسبتاً دقیقی از عملکرد پلاستیکها را در درجه حرارتهای بالاتر از دمای اتاق به دست آورد.
این دو روش به نام های درجه حرارت انحراف گرمایی HDT، و درجه حرارت نقطه نرم شدن ویکات VSP شهرت دارند.
بهترین انتخاب، تعیین دقیق درجه حرارت کاربردی پلاستیکها در برابر افزایش درجه حرارت است که برای رسیدن به این هدف، یکی از دو روش آزمون تعیین ویژگی HDT یا VSP را می توان به کار برد.
تعریف HDT چیست؟
درجه حرارت واپیچی، خمیدگی یا انحراف گرمایی، عبارتست از درجه حرارتی که از طریق آزمونی تا حدی شبیه به خمش سه نقطه ای تعیین می شود، و طی آن نمونه ای با ابعاد استاندارد تحت تنش ثابت، با بالا رفتن درجه حرارت، مقدار معینی خمیدگی در آن به وجود میآید.
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.
نوشته: مهندس سعید نعمتی
