محدوده ایمن عملکرد یک پلاستیک گرمانرم را چگونه سنجش و ارزیابی کنیم؟

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 T_g چیست؟

در ارتباط با کاربری پلاستیک­های گرمانرم دو ویژگی T_m و T_g 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

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 (T_g) 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 (T_g) 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