خواص گرمایی پلیمرها (5)

تعیین دمای نرم شدگی

طراح ها و مهندسین نیازمند این هستند که دمای استفاده ی ماکزیمم را بدانند. در واقع این بدین معناست که آنها باید پایداری گرمایی پلیمر را در زمان انتخاب آن برای یک کاربرد مهندسی، بدانند. این مسئله آنها را قادر می سازد تا یک دمای ماکزیمم در نظر بگیرند که در آن، پلیمر می تواند به عنوان یک ماده ی صلب، مورد استفاده قرار گیرد. این فهمیده شده است که مدول یانگ، خاصیتی از ماده است که می تواند نشاندهنده ی میزان صلبیت و یا نرمی ماده باشد. همچنین اندازه گیری این خاصیت در یک گستره از دما، می تواند راهنمایی خوبی در زمینه ی دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای، ارائه دهد.
دمای نرم شدن برای یک پلیمر، به طور نزدیکی با دمای T_g مواد ترموپلاستیک آمورف و پلیمرهای ترموست، در ارتباط است. در مورد پلیمرهای کریستالی، دمای نرم شدن، با دمای ذوب شدن در ارتباط می باشد. بسیاری از پلیمرها در دمایی بین دمای ذوب شدن و دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای، نرم می شوند. این مسئله به میزان کریستالینیتی پلیمر، وجود نیروهای بین مولکولی اضافی، و روش مورد استفاده در تعیین دمای نرم شدگی، وابسته می باشد. روش هایی متداول برای تعیین حد بالایی دمای نرم شدن برای محصولات تولید شده از یک ماده ی پلیمری خاص، شامل دمای انحراف حرارتی (HDT) یا دمای انحراف تحت بار (DTUL) و دمای نرم شدگی Vicat است. در روش ها یHDT و DTUL، دمایی اندازه گیری می شود که در آن، یک نمونه ی میله ای استاندارد در زمان اعمال باره سه نقطه ای، به میزان خاصی انحراف پیدا کند و بنابراین، این خاصیت می تواند یک خاصیت مکانیکی- گرمایی فرض شود. نقطه ی نرم شدن Vicat، دمایی است که در آن، یک سوزن با ته پهن، تحت باری مشخص، در داخل نمونه ی حرارت داده شده از پلیمر نفوذ کند و به عمقی مشخص برسد. ماکزیمم دمای استفاده ی پیوسته، فاکتور دیگری است که در مورد پلیمرها به عنوان شاخصی برای دمای نرم شدن، در نظر گرفته می شود. برای مثال، ماکزیمم دمای استفاده ی پیوسته برای PP، 100 درجه ی سانتیگراد است که این میزان معادل 10000 ساعت قرارگیری در دمای 110 درجه ی سانتیگراد و یا 〖10〗^6 ساعت قرارگیری در دمای 90 درجه می باشد. بنابراین، گریدهای خاص از PP برای قرارگیری کوتاه مدت در دماهای بالاتر از 140 درجه ی سانتیگراد، مناسب می باشند و از این رو، از این گریدها در تولید ظروف بیمارستانی نیازمند به استریل شدن، استفاده می شود.

دمای انحراف حرارتی

انحراف حرارتی یا انحراف دمایی برای تعیین کوتاه مدت مقاومت حرارتی، استفاده می شود. این انحراف در واقع مواد را در زمینه ی قابلیت تحمل بارهای نوری در دماهای بالا، مقایسه می کند. در این آزمون، آن دسته از مواد که نمی توانند تحمل کنند و صلبیت خود را از یک گستره ی دمایی باریک، دست می دهند، تشخیص داده می شوند. روش های استاندارد برای انجام HDT، عبارتند از:
ISO 75-1: 2004: پلاستیک ها: تعیین دمای انحراف تحت بار- بخش اول: روش آزمون کلی
ISO 75-2: 2004: پلاستیک ها: تعیین دمای انحراف تحت بار- بخش دوم: پلاستیک ها و ابونیت ها
ISO 75-3: 2004: پلاستیک ها: تعیین دمای انحراف تحت بار- بخش سوم: ترموست های با استحکام بالا و پلاستیک های تقویت شده با الیاف طویل
ASTM D648-07: روش آزمون استاندارد برای تعیین دمای انحراف پلاستیک ها تحت بار خمشی در وضعیت لبه ای
روش آزمون شامل قراردهی نمونه در زیر دستگاه اندازه گیری انحراف برای ایجاد خمش سه نقطه ای می باشد (شکل 1). یک بار 0.45 MPa و یا 1.80 MPa و یا 8.00 MPa بر روی نمونه قرار می گیرد (این نیرو به روش آزمون وابسته است). نمونه سپس در داخل یک حمام سیلکون داغ قرار داده می شود و سپس با نرخ دو درجه بر دقیقه، حرارت دهی می شود تا زمانی که یک انحراف معین در مرکز نمونه ایجاد شود. میزان انحراف برای ASTM، 0.25 میلی متر، برای ISO، 0.34 میلی متر و برای آزمون لبه ای ISO، 0.32 میلی متر است. دمایی که در آن انحراف رخ می دهد به عنوان HDT در نظر گرفته می شود. بار بزرگ 8 MPa، برای آزمون بر روی ترموپلاست ها، مناسب می باشد که دمای نرم شدگی بسیار بالایی دارند، در موارد دیگر، از بار 1.8 MPa استفاده می شود.
در روش های آزمون استاندارد ISO، آزمون لبه ای از یک میله ی آزمایش با ابعاد 120 در 10 در 4 میلی متر، استفاده می کند که طول بخش حمایت کننده، 100 میلی متر می باشد و در آزمون مسطح، از میله ی آزمون با ابعاد 80 در 10 در 4 میلی متر استفاده می شود که طول بخش حمایتی در این روش 64 میلی متر است (مشابه روش آزمون خمش معمولی). روش ASTM تنها توصیف کننده ی آزمون لبه ای برای نمونه هایی با ابعاد 5 در ½ در ¼ می باشد. آزمون HDT ضرورتاً یک آزمون خمشی است و بنابراین، از معادلات خمشی می توان برای آن استفاده کرد.
آزمون HDT برای تعیین مقاومت به حرارت کوتاه مدت استفاده می شود و نباید تنها برای بررسی و اندازه گیری حد بالایی دمای نرم شدگی محصولات در دراز مدت، استفاده شود. سایر فاکتورها مانند زمان برخورد با دمای بالا، نرخ افزایش دما، و هندسه ی نمونه نیز بر روی کارایی مؤثر است. سایر فاکتورها، عبارتند از نوع و ساختار پلیمر، نوع و ساختار تقویت کننده و میزان بار اعمالی، جهت گیری الیاف، پایداری اکسیداسیونی و تنش های باقیمانده به دلیل قالب گیری. تمام این فاکتورها، ممکن است موجب تغییر در دمای استفاده ی ماکزیمم شوند. با توجه به این مسئله، این مورد باید با سایر رفتارهای گرمایی دیگر، در نظر گرفته شود.
روش هایی مانند DMTA موجب ارائه ی اطلاعات مهمی در مورد رفتار ماده می شود. برای مثال، مقادیر HDT برای پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه ی طویل، کاملا مشابه است (دمای 210 درجه ی سانتیگراد و بار 1.8 MPa). ولی به هر حال، این مورد آشکار نمی سازد که پروفایل صلبیت ماده در طی گستره ی دمایی چگونه است (شکل 2). به هر حال، این مسئله مورد توجه است که اگر تفاوت در مدول الاستیک ماده شناخته شده باشد، سپس HDT یک شاخص خوب برای دمایی که در آن، انتظار می رود ماده سفتی خود را صرفنظر از ویژگی های سفتی در دمای زیر HDT، از دست دهد.

دمای نرم شدگی Vicat

این روش، روشی مشابه با روش HDT است، اما به جای استفاده از میله ی آزمون، از نمونه ای استفاده می شود که شامل یک قطعه ی مسطح کوچک است و دمای نرم شدن Vicat (VST)، دمایی است که در آن، یک میخ با ته پهن به قطر یک میلی متر مربع، تحت بار و نرخ حرارتی معین، در داخل قطعه نفوذ کند و به عمقی معین برسد. روش های استاندارد برای انجام VST، عبارتند از:
ISO 306: 2004: پلاستیک: مواد ترموپلاست- تعیین دمای نرم شدگی Vicat (VST)
ASTM D1525-09: روش آزمون استاندارد برای دمای نرم شدگی Vicat برای پلاستیک ها
قطعه ی آزمون در واقع یک دیسک به قطر 10 میلی متر و یا یک قطعه ی مربعی به این مساحت است که ضخامتی 3 تا 6.5 میلی متر دارد. می توان در این آزمون از بار 10 یا 50 نیوتن، استفاده کرد. نرخ حرارت دهی نیز 50 درجه بر ساعت و یا 120 درجه بر ساعت است. آزمون در واقع دمایی را تعیین می کند که در آن سوزن به میزان 1 میلی متر در داخل نمونه نفوذ می کند. نفوذ در اصل نتیجه ای از کاهش در مدول الاستیک یا جریان ویسکوز در دمایی بالاتر از دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای می باشد. مواد باید به خوبی نرم شوند تا بدین صورت سوزن Vicat در داخل آن، نفوذ کند. بنابراین، مقادیر مربوط به VST اکثر پلیمرها، بالاتر از چیزی است که برای سایر روش های اندازه گیری، بدست می آید (شکل 3). این آزمون ممکن است در صورتی به خوبی تفسیر نشود که نمونه های آزمای حاوی جهت گیری های مولکولی بالا باشند. نمونه های با جهت گیری مولکولی بالا رها می شوند و بدین صورت ضخامت را در زمان حرارت دهی و در طی آزمون، افزایش می دهند. این مسئله ممکن است موجب شود تا میخ به آهستگی در نمونه فرو رود و در نتایج، خلل ایجاد کند. دغدغه های مشابهی برای آزمون HDT وجود دارد. بنابراین، در این موارد، ماده باید پیش از آزمون، آنیل شود.

رسانایی گرمایی

رسانایی گرمایی یک میزان از نحوه ی حرکت حرارت در داخل ماده می باشد. این خاصیت از ماده به وابستگی به حالت ماده، دما، دانسیته و پیوند مولکولی وابسته می باشد. پیوند کوالانسی در مولکول های پلیمری رسانایی الکتریکی ایجاد نمی کند. در پیوند کوالانسی، الکترون ها متمرکزند و حرکت آنها آسان نیست. از این رو، پلیمرها و سرامیک ها، در کل، رسانایی ضعیف الکتریسیته و حرارت هستند. علاوه بر این، وقتی این مواد حرارت داده می شوند، مولکول های پلیمری متحمل حرکت های داخلی رندومی می شوند که موجب انتقال زنجیره ها، می شود و بنابراین، در این حالت، پلیمر یک ماده ی عایق خوب محسوب می شود و دمای کاربری ایجاد می کند که از دمای تخریب حرارتی نیز زیاد تفاوتی ندارد. بنابراین، کریستالینیتی، دانسیته و اثرات مربوط به رسانایی گرمایی، موجب می شود تا یک ماده ی با ساختار منظم و کریستالی دارای رسانایی بالاتری نسبت به مواد آمورف مشابه داشته باشد. در حالت کریستالی، نوسان مولکولی که موجب تسهیل رسانایی می شود، منظم تر عمل می کنند.
رسانایی گرمایی (k) به عنوان نرخی تعریف می شود که حرارت بوسیله ی رسانش از میان یک سطح مقطع با مساحت مشخص از ماده، عبور می کند. اگر دمای یک سطح از ماده T باشد و دمای سطح دیگر، (T-∆T) باشد، خرج جریان یافتن حرارت (q) به صورت زیر بدست می آید:
q=kA(∆T/L)
که در اینجا، A مساحت انتقال حرارت و L ضخامت ماده می باشد.
این معادله اغلب با یک علامت منفی بیان می شود که در واقع این علامت به معنای این است که جریان در جهت کاهش گرادیان دمایی حرکت می کند. معادله می تواند به صورت زیر برای رسانش، بازنویسی شود:
k=(q/A)×(L/∆T) (in W/(m℃))
که در اینجا، q/A شار حرارتی نامیده می شود.
روش های مورد استفاده برای اندازه گیری رسانایی حرارتی شامل صفحات گرم بدون محافظت و روش صفحات گرم محافظت شده، می باشد. روش صفحات گرم بدون محافظت در اصل بر پایه ی روش دیسک Lees ابداع شده است (شکل 4). روش آزمون استاندارد برای این روش، در زیر آورده شده است: BS 874-2.2: 1988: روش هایی برای تعیین خواص عایق کاریی گرمایی. آزمون های مورد استفاده برای رسانایی گرمایی و خواص مربوطه: روش صفحات گرم بدون حمایت
ASTM C518-10: روش آزمون استاندارد برای خواص انتشار گرمایی حالت پایدار بوسیله ی روش اندازه گیری شار حرارتی
این آزمون اتلاف های حرارتی ایجاد شده در لبه های موجود را در نظر نمی گیرد. راه های مورد استفاده برای کاهش اتلاف های حرارتی از لبه ها، بوسیله ی Hands (1999) توصیف شده است. استفاده از نمونه های نازک و صفحات هیتر نازک با مساحت سطح بالا، اتلاف های گرمایی گوشه ها را کاهش می دهد. در اطراف وسایل را نیز می توان با مواد عایقی همچون ورمیکولیت پر کرد تا بدین صورت، میزان اتلاف حرارتی کاهش یابد. یک بهبود در زمینه ی روش صفحات گرم بدون حمایت، در واقع روش صفحات گرم حمایت شده است که دقت بیشتری برای مواد جامد مانند فوم ها، دارد. روش آزمون استاندارد برای این روش، عبارتست از:
ISO 8302: 1991: عایق حرارتی: تعیین مقاومت گرمایی حالت پایدار و خواص مربوطه- روش صفحات گرم حمایت شده
ISO 8990: 1994: عایق حرارتی: تعیین انتقال گرمایی حالت پایدار و خواص مربوطه- جعبه ی حرارتی کالیبره و تحت حمایت قرار گرفته
BS EN 12667: 2001: کارایی گرمایی مربوط به مواد ساختمانی و خواص آنها. تعیین مقاومت گرمایی بوسیله ی روش صفحات گرم حمایت شده و روش اندازه گیری شار حرارتی. محصولات با مقامت گرمایی متوسط و بالا
BS 874-2.1: 1986: روش های مورد استفاده در تعیین خواص عایق کاری گرمایی: آزمون های مورد استفاده برای بررسی رسانایی گرمایی و خواص مربوطه: روش صفحات گرم حمایت شده
ASTM C177-10:روش آزمون استاندارد برای اندازه گیری شار حرارتی حالت پایدار و خواص انتقال حرارتی بوسیله ی روش صفحات گرم حمایت شده
ASTM C1044-07: اقدامات استاندارد برای استفاده از ادوات صفحات گرم حمایت شده، یا ابزارهای مجهز به هیترهای نازک در حالت تک جهته
DIN 52612-2: آزمون مواد عایق گرمایی: تعیین رسانایی گرمایی با روش صفحات گرم حمایت شده، روش تبدیل مقادیر اندازه گیری شده برای کاربردهای ساختمانی
یک آزمون صفحات گرم حمایت شده در شکل 5 آورده شده است. دو نمونه ی ایده آل در جهت های معکوس هیتر اصلی، قرار داده می شوند. هیتر اصلی و هیترهای حمایتی دارای دمای مشابهی هستند. سینک حرارتی در دمای پایین ترین حفظ می شود. هیترهای حمایتی مقداری از حرارت جانبی را از هیتر اصلی، انتقال می دهند. دماها نیز در هر سطح ارزیابی می شود. حرارت انتقال یافته از نمونه ها، معادل توان اعمال شده به هیتر اصلی می باشد. تعادل گرمایی در زمانی ایجاد می شود که دما و ولتاژ حالت پایدار داشته باشندد. رسانایی گرمایی با وارد کردن مقادیر تعادلی بدست آمده از معادله های رسانایی، محاسبه می شوند.
که در اینجا، P توان اعمال شده به هیتر اصلی می باشد (W=VI)، A مساحت سطح نمونه (متر مربع)، L ضخامت نمونه (m)، T_h دمای هیتر و T_s دمای سینک حرارتی می باشد. توجه کنید که توان اعمال شده، تقسیم بر دو می شود زیرا دو نمونه در دستگاه قرار دارد.
دستگاه های تجاری نیز برای انجام آزمون صفحات گرم حمایت شده، وجود دارد این دستگاه ها بر اساس استاندارد DIN 52612 طراحی و ساخته شده اند و برای بررسی رسانایی گرمایی مواد ساختمانی مانند پلی استایرن، PMMA ، صفحات چوب پنبه و صفحات گچی، استفاده می شوند.
Hands در سال 1999 یک روش محاسبه ی خوب برای انجام آزمون بر روی نفوذ گرمایی و حرارت ویژه ی و همچنین رسانایی گرمایی، ارائه کرده است.
مقادیر مربوط به خواص گرمایی مواد پلیمری مختلف در جدول 1 آورده شده است. فاکتورهایی که بر روی داده ها، اثرگذارند، عبارتند از: کریستالینیتی، جهت گیری، نوع کوپلیمر، نسبت مونومرها، میزان ترموست بودند. مثلا، اپوکسی نام کلی انواع رزین هایی است که خواص متنوعی دارند. عمل آوری و میزان عمل آوری در آنها متفاوت است. ترموست هایی مانند MF، PF، UF عمدتاً حاوی پرکننده هستند.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay

استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.