دمای پایداری حرارتی پلیمرها و اندازه گیری آن

دمای پایداری حرارتی پلیمرها و اندازه گیری آن

تاثیر دما بر نحوه عملکرد و خواص مکانیکی مواد پلیمری به ­دلیل ماهیت پلیمرها با سایر مواد متفاوت است. زنجیرهای پلیمری به­ دلیل طول بلند دارای مجموعه­ ای از خواص می­ باشند که آن­ها را به­ طور کامل از سایر مواد متمایز نموده است. از جمله این خواص می­ توان به حضور هم­زمان نواحی منظم( بلور) و نا­منظم(آمورف) در کنار یکدیگر( به ­عبارتی متفاوت بودن مفهوم کریستالینیته با کوچک ملکول­ ها)، خاصیت ویسکوالاستیک و وجود دماهای انتقال شیشه ­ای(T_g)، بتا و گاما، اشاره نمود.

با عبور از این دما و دریافت انرژی حرارتی توسط توده ماده، زنجیرهای پلیمری که انرژی مورد نیاز برای حرکت را پیدا نموده ­اند، تغییر حجم ماده در برابر دما را سرعت بخشیده ­اند. نکته قابل توجه در این دما برای یک پلیمر، تغییر رفتار ماده از یک ماده شکننده در زیر دمای انتقال شیشه ­ای به یک ماده­ ی چقرمه در بالای دمای انتقال شیشه­ ای می­باشد. با بررسی­ های انجام گرفته در این دما مشخص گردیده است که هنگامی که دمای زنجیر پلیمری به نزدیکی دمای انتقال شیشه ­ای برسد، قسمت­های مختلف زنجیر( محدوده ­ای به شعاع 25 انگستروم) می­ توانند به ­صورت مستقل از هم شروع به حرکت سگمنتی نمایند( یعنی ابتدا، مرکز و انتهای زنجیر به ­صورت مستقل از هم شروع به حرکت می­کنند). در واقع ریشه تغییر رفتار پلیمر از یک ماده شیشه ­ای و شکننده به ماده ­ای نرم همین حرکت هماهنگ و سگمنتی در تمام جهات توده­ ی پلیمر و توانایی بالای اتلاف در آن می ­باشد. با افزایش دما و به ­موازات آن افزایش دامنه حرکت سگمنت­های زنجیر پلیمری، قسمت ­های مختلف زنجیر خود را به آرامی از گره ­خوردگی ­های فیزیکی موجود رها کرده و پلیمر به­ سمت تغییر فاز و ذوب شدن حرکت می­کند( در دمای ذوب، نزدیک به 80 درصد زنجیرهای پلیمری بدون مزاحمت گره­ خوردگی­های فیزیکی و به ­صورت مستقل توانایی حرکت دارند). یادآوری این نکته نیز ضروری است که تمام مواد موجود در دنیا دارای دمای انتقال شیشه­ ای می­ باشند، منتهی این دما به ­واسطه تفاوت بسیار کم آن از دمای ذوب برای کوچک ملکول­ها به­ صورت چشمی قابل تمیز نمی­ باشد( در ابتدا این مبحث نیز ذکر گردید که تفاوت رفتارهای پلیمرها با کوچک ملکول ­ها به­ واسطه طول بلند زنجیر آن­ها است). جدول 1 دمای انتقال شیشه­ ای تعدادی از پلیمرهای بیشتر شناخته شده را نشان می­دهد.

با توجه به اعداد این جدول به ­نظر می­رسد استفاده از محصولاتی که ماده اولیه آن­ها پلی ­اتیلن باشد، در دمای اتاق امکان­ پذیر نیست (زیرا دمای اتاق بالاتر از دمای انتقال شیشه ­ای پلی­ اتیلن است و نمی­توان انتظار پایداری حرارتی از پلی ­اتیلن داشت). هر چند این استنتاج با توجه به داده ­های جدول 1 کاملا صحیح می­باشد، منتهی نکته ­ای که در این تحلیل مغفول مانده آن است که دمای انتقال شیشه ­ای تنها محدود به مناطق آمورف توده پلیمر است و برای مناطق بلوری دمای انتقال شیشه ­ای تعریف نمی­شود. لذا با توجه به فرآیند متفاوت کریستال شدن در پلیمرها و حضور توامان نواحی آمورف و بلور در کنار هم، در اکثر موارد دمای انتقال شیشه ­ای با دمای مربوط به پایداری حرارتی پلیمر متفاوت می­باشد. به­ عبارت روشن­تر، با فرض در اختیار داشتن دو پلیمر با نواحی آمورف و بلور خالص، به­ ترتیب پایداری حرارتی برای این دو پلیمر معادل دمای انتقال شیشه ­ای و دمای ذوب پلیمر در نظر گرفته می­شود. دمای HDT (Heat deflection temperature)، در واقع به­ عنوان معیاری مناسب و جایگزین دمای انتقال شیشه ­ای برای تخمین حداکثر دمای کاربری پلیمر شناخته شده است. اساس این آزمون اعمال هم­زمان تنش و افزایش دما به پلیمر است. روش ­های متفاوتی برای محاسبه و بیان این محدوده ­ی کاربری وجود دارد که نتایج مربوط به آن بسته به روش اجرایی با هم متفاوت است. روش­های اصلی در تخمین این دما عبارتند از:

الف)- روش T₄

در این روش دمای مربوط به پایداری حرارتی را معادل با دمایی که در آن مقدار مدول برابر با  psi 45000 باشد درنظر می­گیرند.

ب)- روش vicat

در این روش سوزنی همراه با وزنه­ای با وزن مشخص روی نمونه قرار می­گیرد. با افزایش دما و نرم شدن پلیمر امکان نفوذ سوزن به داخل توده پلیمر فراهم می­شود. دمایی که میزان این نفوذ برابر با 1 میلی­متر باشد را معادل با پایداری حرارتی پلیمر درنظر می­گیرند.

پ) روش HDT

تفاوت این روش با حالت قبل در آن است که به ­جای استفاده از سوزن، با اعمال تنش خمشی به نمونه، دمایی که نمونه به مقدار مشخص شده در استاندارد خم گردید، به عنوان دمای مورد نظر گزارش شود.

در پایان این مبحث ذکر این نکته خالی از لطف نمی­ باشد که پایداری حرارتی و مقاومت حرارتی دو مفهوم متفاوت از هم می­باشند که در بسیاری از موارد به اشتباه به ­جای یکدیگر مورد استفاده قرار می­گیرند. منظور از پایداری حرارتی بالاترین دمایی است که در آن یک محصول کماکان توانایی حفظ خواص مکانیکی خود را دارد، حال آن­که مقاومت حرارتی به دمایی که در آن ماده شروع به تخریب کند، اطلاق میگردد. تست ­های مربوط به تخمین مقاومت حرارتی به ­طور معمول برای تجهیزات مورد استفاده در صنایع هوا فضا موضوعیت دارد. در این آزمون­ها بحث دما و زمان به­ موازات هم مورد بررسی قرار می­گیرند. به عبارت روشن­تر، یك پلیمر به عنوان پلیمر مقاوم حرارتی در نظر گرفته می شود که در زمان و دمای معادل آن( مطابق جدول3) تخریب نگردد.