دمای انحراف تحت بار و دمای ویکات مواد پلاستیکی

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به بررسی دمای انحراف تحت بار و دمای ویکات در مواد پلاستیکی پرداخته خواهد شد.

تعدادی از آزمایش‌های استاندارد کوتاه‌مدت وجود دارند که به طور معمول برای نشان دادن قابلیت‌های دما بالا در مواد پلاستیکی استفاده می‌شوند. رایج‌ترین آزمایش، آزمایش دمای انحراف تحت بار (DTUL) نامیده می‌شود.

این آزمایش معمولاً به عنوان آزمایش دمای اعوجاج حرارتی (HDT) نیز شناخته می‌شود. آزمایش DTUL یک اندازه‌گیری تقریبی از دمایی است که در آن یک نمونه شبیه تیر در معرض خمش سه نقطه‌ای، به اندازه فاصله ثابتی تحت بار مشخصی (معمولاً تنش الیاف خارجی 1.82 مگاپاسکال) انحراف پیدا می کند.

برای مواد آمورف، مقدار DTUL معمولاً نزدیک به دمای انتقال شیشه‌ای پلیمر است. برای پلیمرهای نیمه‌بلوری، مقدار DTUL هیچ ارتباطی با انتقال شیشه‌ای ندارد. آزمایش DTUL یک اندازه‌گیری از دمایی است که در آن یک پلیمر به مقدار مشخصی از مدول خمشی (971 مگاپاسکال در حالی که تنش الیاف خارجی 1.82 مگاپاسکال می باشد) می‌رسد، اما هیچ نشانه‌ای از شکل منحنی مدول-دمای پلیمر ارائه نمی‌دهد (یعنی این یک آزمایش کوتاه‌مدت و نقطه‌ای است).

بنابراین، آزمایش DTUL تنها برای غربالگری اولیه مواد مناسب است و نباید برای انتخاب نهایی مواد و طراحی مورد استفاده قرار گیرد .

یک نوع از آزمایش DTUL، آزمایش دمای نرم شدن ویکات است. بر خلاف پیکربندی آزمایش خمشی مرتبط با آزمایش DTUL، آزمایش دمای ویکات (دستگاه نشان داده شده در شکل ۱) اندازه‌گیری از دمایی را ارائه می‌دهد که در آن یک پین صاف با بار کم به فاصله ثابتی در یک نمونه آزمایشی نفوذ می‌کند.

هدف این آزمایش ارائه یک نشانه نسبی از توانایی یک ماده برای تحمل تماس کوتاه‌مدت با یک جسم گرم است . این آزمایش همچنین به طور معمول برای اهداف طراحی فرآیند (شبیه‌سازی‌های قالب‌گیری) به عنوان معیاری از حداقل دمایی که یک قطعه قالب‌گیری تزریقی می‌تواند از قالب خارج شود، استفاده می‌شود.

احتمالاً پین‌های خروجی، آستین‌ها و غیره ممکن است قطعات را آسیب بزنند اگر قطعات در دماهای بالاتر از دمای ویکات خارج شوند. مقادیر دماهای ویکات و DTUL همچنین می‌توانند به عنوان یک اندازه‌گیری تقریبی از مقاومت ذاتی یک ترموپلاستیک در برابر اعوجاج یا تاب‌برداری در دماهای بالا استفاده شوند. این مقادیر تنها به عنوان راهنما مفید هستند زیرا تمایل به تاب‌برداری تحت تأثیر عواملی مانند درجه جهت‌گیری، تنش باقی‌مانده، بارها و هندسه قطعه قرار دارد .

در طراحی قطعات پلاستیکی و همچنین طراحی قالب تزریق پلاستیک بررسی این دو موضوع بسیار مهم می باشد.

ضریب انبساط حرارتی خطی

 

مانند اکثر مواد دیگر، مواد پلاستیکی هنگام گرم شدن منبسط و هنگام سرد شدن منقبض می‌شوند (یعنی دارای ضریب انبساط حرارتی مثبت هستند).

در مقایسه با بسیاری از مواد دیگر، مواد پلاستیکی دارای ضریب‌های انبساط حرارتی نسبتاً بالایی هستند؛ با این حال، مقادیر به طور قابل توجهی از پلیمر به پلیمر دیگر متفاوت است. تغییر حجمی مرتبط با یک تغییر مشخص در دما (یا فشار) می‌تواند با استفاده از منحنی‌های فشار-حجم-دما توصیف شود. با این حال، برای اهداف طراحی قطعه، ضریب انبساط حرارتی خطی (CLTE) بیشترین کاربرد را دارد.

مقادیر CLTE بیشتر به طور مستقیم اندازه‌گیری می‌شوند (به جای استخراج از داده‌های فشار-حجم-دما)، زیرا قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده ممکن است رفتار ایزوتروپیک نداشته باشند. CLTE به عنوان نسبت تغییر در ابعاد خطی به ابعاد اولیه در هر واحد درجه تغییر دما تعریف می‌شود.

CLTE واحدهایی به صورت 1/°C (1/°F) or cm/cm/°C (in/in/°F) دارد. واحدهای اخیر ترجیح داده می‌شوند زیرا به طور ضمنی نشان می‌دهند که مقدار بیانگر CTE خطی است نه CTE سطحی یا حجمی. مقدار CLTE برای مواد پلیمری قالب‌گیری شده می‌تواند به طور قابل توجهی بین جهت جریان و جهت عرضی تغییر کند، به ویژه برای گریدهای پلیمر تقویت شده با الیاف. الیاف جهت‌دار تغییرات ابعادی را در جهت جریان محدود می‌کنند (به عنوان مثال، الیاف شیشه‌ای دارای مقادیر CLTE بسیار پایینی هستند)، در حالی که مقادیر CLTE عرضی ممکن است بزرگتر شوند زیرا یک تغییر حجمی مشخص باید رخ دهد.

علاوه بر این، مقادیر CLTE با دما تغییر می‌کنند و تنها در یک محدوده دمای کوچک می‌توانند به عنوان ثابت در نظر گرفته شوند. تغییرات قابل توجه (افزایش) در مقدار CLTE زمانی رخ می‌دهد که دما به نزدیک انتقال‌های حرارتی مانند Tg یا Tm نزدیک شود. این موضوع برای پلیمرهای نیمه‌بلوری که معمولاً در دماهایی که شامل دمای انتقال شیشه‌ای آنها می‌شود، استفاده می‌شوند، نگرانی خاصی است.

 

 

شکل ۱ پیکربندی‌ها و دستگاه‌های آزمایش مرتبط با آزمایش دمای انحراف تحت بار (DTUL) و آزمایش دمای نرم شدن ویکات.

 

مقادیر معمول ضریب انبساط حرارتی خطی برای انواع مختلف مواد در جدول 3.2 ارائه شده است. هنگام طراحی قطعاتی که بخشی از یک مجموعه بزرگتر هستند، بهتر است از موادی استفاده شود که دارای مقادیر CLTE مشابهی باشند (یعنی از عدم تطابق CLTE اجتناب شود). این موضوع می‌تواند زمانی دشوار باشد که قطعات شامل هر دو عنصر فلزی و پلاستیکی باشند، زیرا CUE مواد پلاستیکی ممکن است به طور قابل توجهی بیشتر از فولاد باشد. در بسیاری از موارد، خود اتصالات مشکلاتی را ایجاد می‌کنند زیرا معمولاً از فولاد تولید می‌شوند. طراحی‌های قطعه‌ای که برای کاربردهایی با عدم تطابق CLTE توسعه یافته‌اند، باید ویژگی‌هایی مانند سوراخ‌ها یا شیارهای آزاد را در نظر بگیرند تا تغییرات ابعادی را در سراسر محدوده دما مرتبط با کاربرد نهایی جبران کنند. طراحی قالب تزریق پلاستیک بدون در نظر گرفتن ضریب انبساط حرارتی مواد پلاستیکی تقریبا غیر ممکن می باشد.

 

 

مقادیر ضرایب انبساط خطی برای مواد مختلف

Material type	Typical CTE (10–5 cm/cm/°C)	Material type	Typical CTE (10–5 cm/cm/°C)
LCP (GFR)∗	0.6	ABS (GFR)∗	3.1
Glass	0.3–0.7	Polypropylene (GFR)∗	3.2
Steel	1.1	Polyphenylene sulfide	3.6
Concrete	1.4	Acetal (GFR)∗	4.0
Copper	1.6	Epoxy	5.4
Bronze	1.8	Polyetherimide	5.6
Brass	1.8	Polycarbonate	6.5
Aluminum	2.2	Acrylic	6.8
Polyetherimide (GFR)∗	1.5–3.2	ABS	7.2
Nylon (GFR)∗	2.3	Nylon	8.1
TP Polyester (GFR)∗	2.5–7.5∗∗	Acetal	8.5
Magnesium	2.5	Polypropylene	8.6
Polycarbonate (GFR)	2.0–4.0	TP polyester	12.4
Zinc	3.1	Polyethylene	13–17

^∗ Typical glass fiber reinforced grade.

^∗∗ Highest CTE value for cross flow direction.