تعريف درجة حرارة الانحراف الحراري
تُعرف درجة حرارة الانحراف الحراري بأنها درجة الحرارة التي ينحرف عندها قضيب اختبار قياسي من المادة بمقدار معين (عادةً 0.25 ملم أو 0.01 بوصة) تحت حمل محدد عند تعرضه لزيادة تدريجية في درجة الحرارة. يتم إجراء الاختبار عادةً باستخدام جهاز اختبار الانحراف الحراري، حيث يتم تثبيت القضيب أفقيًا ويتم تطبيق حمل في منتصفه. يتم رفع درجة الحرارة بمعدل ثابت، وتسجل درجة الحرارة التي يحدث عندها الانحراف المحدد.
هناك طريقتان رئيسيتان لتحديد درجة حرارة الانحراف الحراري، وهما الطريقة A والطريقة B، وتختلفان في قيمة الحمل المطبق:
- الطريقة A: يتم تطبيق حمل قدره 1.80 ميجا باسكال (264 رطل/بوصة مربعة).
- الطريقة B: يتم تطبيق حمل قدره 0.455 ميجا باسكال (66 رطل/بوصة مربعة).
عادةً ما تكون درجة حرارة الانحراف الحراري التي تم الحصول عليها باستخدام الطريقة A أقل من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام الطريقة B، نظرًا لأن الحمل الأكبر يتسبب في انحراف أسرع عند درجة حرارة أقل.
أهمية درجة حرارة الانحراف الحراري
تعتبر درجة حرارة الانحراف الحراري مؤشرًا مهمًا على أداء المادة في التطبيقات التي تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة. تساعد هذه الخاصية المهندسين والمصممين على اختيار المواد المناسبة للتطبيقات المختلفة، مثل:
- مكونات السيارات: حيث تتعرض الأجزاء الداخلية والخارجية للسيارات لدرجات حرارة متفاوتة.
- الأجهزة المنزلية: مثل الأفران والمكاوي وغلايات الماء.
- المعدات الصناعية: التي تعمل في بيئات ذات درجات حرارة عالية.
- المكونات الإلكترونية: حيث يمكن أن تتولد الحرارة أثناء التشغيل.
إن اختيار مادة ذات درجة حرارة انحراف حراري مناسبة يضمن أن المنتج سيحافظ على شكله ووظيفته تحت الظروف التشغيلية المتوقعة، ويمنع التشوه أو الفشل المبكر.
العوامل المؤثرة في درجة حرارة الانحراف الحراري
تتأثر درجة حرارة الانحراف الحراري بعدة عوامل، بما في ذلك:
- نوع البوليمر: تختلف البوليمرات المختلفة في بنيتها الجزيئية وقوتها بين الجزيئات، مما يؤثر على مقاومتها للحرارة. على سبيل المثال، تتمتع البوليمرات المتبلورة (Crystalline polymers) عمومًا بدرجات حرارة انحراف حراري أعلى من البوليمرات غير المتبلورة (Amorphous polymers).
- الوزن الجزيئي: يؤثر الوزن الجزيئي للبوليمر على درجة حرارة الانحراف الحراري، حيث تميل البوليمرات ذات الوزن الجزيئي الأعلى إلى الحصول على درجات حرارة انحراف حراري أعلى.
- الإضافات: يمكن إضافة مواد مالئة (Fillers) ومواد مُلدّنة (Plasticizers) ومثبتات (Stabilizers) إلى البوليمر لتحسين خصائصه، بما في ذلك درجة حرارة الانحراف الحراري. على سبيل المثال، يمكن إضافة الألياف الزجاجية لزيادة صلابة البوليمر وبالتالي رفع درجة حرارة الانحراف الحراري.
- عملية التصنيع: يمكن أن تؤثر طريقة معالجة البوليمر على درجة حرارة الانحراف الحراري. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التبريد السريع إلى تكوين بنية غير متبلورة، مما يقلل من درجة حرارة الانحراف الحراري.
- معدل التسخين: يؤثر معدل التسخين أثناء الاختبار على درجة حرارة الانحراف الحراري. عادةً ما يتم إجراء الاختبار بمعدل تسخين ثابت، ولكن قد تؤدي المعدلات المختلفة إلى نتائج مختلفة.
طرق قياس درجة حرارة الانحراف الحراري
يتم قياس درجة حرارة الانحراف الحراري باستخدام جهاز اختبار الانحراف الحراري، والذي يتكون عادةً من:
- حمام زيت أو غرفة حرارية: لتوفير بيئة ذات درجة حرارة يمكن التحكم بها.
- وحدة تحميل: لتطبيق حمل ثابت على عينة الاختبار.
- مقياس إزاحة: لقياس مقدار الانحراف في عينة الاختبار.
- وحدة تحكم في درجة الحرارة: للتحكم في درجة حرارة الحمام أو الغرفة الحرارية.
- مسجل بيانات: لتسجيل درجة الحرارة والانحراف أثناء الاختبار.
يتم إجراء الاختبار وفقًا لمعايير محددة، مثل معيار ASTM D648 أو ISO 75. تتضمن هذه المعايير تفاصيل حول حجم العينة، والحمل المطبق، ومعدل التسخين، ومعايير الانحراف.
خطوات إجراء الاختبار:
- تُعد عينة الاختبار وفقًا للمعيار المحدد.
- تُثبت عينة الاختبار في جهاز اختبار الانحراف الحراري.
- يُطبق الحمل المحدد على عينة الاختبار.
- تُرفع درجة الحرارة بمعدل ثابت.
- تُسجل درجة الحرارة والانحراف أثناء الاختبار.
- تُحدد درجة الحرارة التي يحدث عندها الانحراف المحدد.
تطبيقات درجة حرارة الانحراف الحراري
تُستخدم درجة حرارة الانحراف الحراري في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك:
- اختيار المواد: تساعد في اختيار المواد المناسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للحرارة.
- مراقبة الجودة: تُستخدم للتحقق من جودة المواد البلاستيكية والتأكد من أنها تلبي المواصفات المطلوبة.
- البحث والتطوير: تُستخدم لتطوير مواد بلاستيكية جديدة ذات خصائص محسنة.
- تحليل الأعطال: تُستخدم لتحديد سبب فشل المكونات البلاستيكية في التطبيقات التي تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة.
أمثلة على درجة حرارة الانحراف الحراري لبعض المواد الشائعة
فيما يلي أمثلة على درجة حرارة الانحراف الحراري لبعض المواد البلاستيكية الشائعة (قيم تقريبية):
- بولي إيثيلين (PE): 40-50 درجة مئوية
- بولي بروبيلين (PP): 50-60 درجة مئوية
- بولي فينيل كلوريد (PVC): 60-80 درجة مئوية
- بولي ستايرين (PS): 80-100 درجة مئوية
- أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS): 80-110 درجة مئوية
- بولي كربونات (PC): 120-140 درجة مئوية
- بولي أميد (PA) (نايلون): 150-250 درجة مئوية (حسب النوع)
- بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK): 150-300 درجة مئوية
يرجى ملاحظة أن هذه القيم هي قيم تقريبية وقد تختلف تبعًا للتركيب المحدد للمادة وظروف الاختبار.
تحسين درجة حرارة الانحراف الحراري
هناك عدة طرق لتحسين درجة حرارة الانحراف الحراري للمواد البلاستيكية، بما في ذلك:
- استخدام بوليمرات ذات درجة حرارة انحراف حراري أعلى: يمكن اختيار بوليمر مختلف ذي مقاومة حرارية أفضل للتطبيق المطلوب.
- إضافة مواد مالئة: يمكن إضافة مواد مالئة مثل الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون لزيادة صلابة المادة وبالتالي رفع درجة حرارة الانحراف الحراري.
- الربط التشابكي: يمكن استخدام الربط التشابكي لربط سلاسل البوليمر معًا، مما يزيد من مقاومة المادة للحرارة.
- التلدين: يمكن تحسين التلدين بعد المعالجة لتقليل الإجهادات الداخلية وزيادة استقرار الأبعاد عند درجة حرارة عالية.
- تعديل التركيب الكيميائي: يمكن تعديل التركيب الكيميائي للبوليمر لتحسين مقاومته للحرارة.
خاتمة
تعتبر درجة حرارة الانحراف الحراري خاصية مهمة للمواد البلاستيكية، حيث تحدد قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية دون تشوه. تُستخدم هذه الخاصية على نطاق واسع في الصناعات المختلفة لاختيار المواد المناسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للحرارة. تتأثر درجة حرارة الانحراف الحراري بعدة عوامل، بما في ذلك نوع البوليمر، والوزن الجزيئي، والإضافات، وعملية التصنيع. يمكن تحسين درجة حرارة الانحراف الحراري عن طريق اختيار بوليمرات ذات مقاومة حرارية أعلى، أو إضافة مواد مالئة، أو استخدام الربط التشابكي، أو التلدين.