Εισαγωγή
Η πολυαιθεροαιθεροκετόνη (PEEK) είναι ένα θερμοπλαστικό υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιείται ευρέως σε απαιτητικές μηχανικές εφαρμογές, χάρη στην εξαιρετική θερμική σταθερότητα, τη μηχανική αντοχή και τη χημική αντοχή του. Εμπορικές ποιότητες όπως το TECAPEEK® natural και το ενισχυμένο με ίνες γυαλιού TECAPEEK® GF30 natural (Εικόνα 1), που κατασκευάζονται από την Ensinger, χρησιμοποιούνται συνήθως για την προσαρμογή των επιδόσεων του υλικού σε συγκεκριμένες εφαρμογές.
Το TECAPEEK® natural είναι μια ποιότητα PEEK χωρίς πληρωτικά με πυκνότητα ~1,31 g/cm³, ενώ το TECAPEEK® GF30 natural περιέχει 30% ίνες γυαλιού και έχει πυκνότητα ~1,53 g/cm³. Και τα δύο υλικά αντέχουν σε θερμοκρασίες λειτουργίας ~250 έως 260°C για μεγάλο χρονικό διάστημα, ενώ οι αναφερόμενες θερμικές αγωγιμότητές τους είναι ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) και ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
Στην παρούσα Σημείωση Εφαρμογής, αξιολογείται η θερμική αγωγιμότητα των υλικών TECAPEEK® natural και TECAPEEK® GF30 natural στο εύρος θερμοκρασιών από -10 °C έως 250 °C, με τη χρήση ενός μετρητή ροής θερμότητας με θερμική θωράκιση (GHFM) της εταιρείας NETZSCH TCT 716 Lambda και ενός αναλυτή λέιζερ φλας (LFA) της εταιρείας NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Τα υλικά που υποβλήθηκαν σε δοκιμές προμηθεύτηκαν από την Ensinger ως εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα, εξασφαλίζοντας άμεση συνάφεια με πραγματικές εφαρμογές. Αυτό το εύρος θερμοκρασιών αντανακλά τυπικές συνθήκες λειτουργίας σε κλάδους όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ηλεκτρολογία και η χημική επεξεργασία, όπου οι ιδιότητες θερμικής μεταφοράς επηρεάζουν την απαγωγή θερμότητας και την αξιοπιστία των εξαρτημάτων. Τα πειραματικά δεδομένα που παρουσιάζονται σε αυτή τη σημείωση εφαρμογής παρέχουν στους μηχανικούς ανεξάρτητα δεδομένα σχετικά με υλικά που διατίθενται στο εμπόριο, προκειμένου να υποστηρίξουν τις αποφάσεις σχεδιασμού όταν τέτοια δεδομένα δεν είναι διαθέσιμα.
Πειραματικό
Η μέθοδος GHFM παρέχει άμεση μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας σε κατάσταση σταθερής λειτουργίας, προσφέροντας μια απλή αξιολόγηση της μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες ισορροπίας. Αντίθετα, η LFA είναι μια τεχνική μεταβατικής κατάστασης που μετρά τη θερμική διαχυτότητα (α), η οποία αντανακλά τον ρυθμό με τον οποίο η θερμότητα διαδίδεται μέσα σε ένα υλικό. Για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας (λ) με τη χρήση αυτής της τεχνικής, η μετρηθείσα διαχυτότητα συνδυάζεται με την ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) και την πυκνότητα (ρ) που προσδιορίζονται ανεξάρτητα. Αυτή η σχέση εκφράζεται ως εξής:
Αυτή η συνδυασμένη προσέγγιση επιτρέπει τη διασταυρωτική επικύρωση μεταξύ των άμεσων και των υπολογισμένων τιμών θερμικής αγωγιμότητας, ενισχύοντας την αξιοπιστία των μετρηθέντων αποτελεσμάτων.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα προσδιορίστηκε με τη χρήση ενός διαφορικού θερμιδομετρητή σάρωσης (DSC) DSC 300 Caliris® της NETZSCH, ενώ η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία πυκνότητα προέκυψε από μετρήσεις θερμικής διαστολής μέσω ενός διαστομέτρου (DIL) 402 Expedis της NETZSCH.
Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε θερμοκρασιακό εύρος από -10 °C έως 250 °C, προκειμένου να καταγραφεί η συμπεριφορά του υλικού υπό τυπικές συνθήκες λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης της περιοχής της υαλώδους μετάβασης.
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Μετρήθηκε η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) των υλικών TECAPEEK® natural και TECAPEEK® GF30 natural, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στους υπολογισμούς θερμικής αγωγιμότητας με βάση τη μέθοδο LFA (Σχήμα 2). Σε όλο το εύρος θερμοκρασιών, το υλικό χωρίς πληρωτική ουσία παρουσιάζει υψηλότερες τιμές Cp από το υλικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού, λόγω της χαμηλότερης συνεισφοράς θερμικής χωρητικότητας από τις ανόργανες ίνες. Και τα δύο υλικά παρουσιάζουν μια διακριτή γυάλινη μετάβαση, με το TECAPEEK® natural να παρουσιάζει ένα μέσο σημείο γύρω στους 157°C, ενώ το TECAPEEK® GF30 natural παρουσιάζει ένα ελαφρώς χαμηλότερο μέσο σημείο στους 152°C. Η συμπεριφορά της υαλώδους μετάβασης του PEEK μπορεί επίσης να παρακολουθηθεί χρησιμοποιώντας DSC με διαμόρφωση θερμοκρασίας [4].
Μετρήθηκε η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία θερμική διαστολή των υλικών TECAPEEK® natural και TECAPEEK® GF30 natural, προκειμένου να διορθωθεί το πάχος των δειγμάτων στους υπολογισμούς της διαχυτότητας και η πυκνότητα στους προσδιορισμούς της θερμικής αγωγιμότητας (Σχήμα 3)· ωστόσο, η περαιτέρω ανάλυση αυτών των δεδομένων παρέχει επίσης πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά των υλικών. Παρατηρείται έντονη αύξηση της διαστολής κοντά στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg), όπου η αυξημένη κινητικότητα των αλυσίδων οδηγεί σε υψηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής. Στο υλικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού, η διαστολή επηρεάζεται έντονα από την ανισοτροπία που προκύπτει από τον προσανατολισμό των ινών, τη μικροδομή και το ιστορικό επεξεργασίας, με αποτέλεσμα τη συμπεριφορά που εξαρτάται από την κατεύθυνση των ινών [5].
Οι μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας που προέκυψαν από τα GHFM και LFA παρουσιάζουν ισχυρή συμφωνία σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών, με τα δύο υλικά να εμφανίζουν αυξανόμενη αγωγιμότητα με την αύξηση της θερμοκρασίας (Σχήμα 4). Το TECAPEEK® GF30 natural παρουσιάζει σταθερά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το TECAPEEK® natural, γεγονός που αποδίδεται στις βελτιωμένες οδούς μεταφοράς θερμότητας που παρέχουν οι ίνες γυαλιού.
Τα αποτελέσματα θερμικής αγωγιμότητας που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη συμφωνούν επίσης σε μεγάλο βαθμό με αυτά που αναφέρονται στη Σημείωση Εφαρμογής 327 της NETZSCH [5], ιδίως όσον αφορά τόσο τις απόλυτες τιμές όσο και τις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία τάσεις. Στη Σημείωση Εφαρμογής 327, η θερμική αγωγιμότητα που προσδιορίστηκε μέσω άμεσης μέτρησης GHFM και έμμεσων υπολογισμών LFA παρουσιάζει στενή συσχέτιση όταν χρησιμοποιούνται οι κατάλληλες τιμέςΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp και πυκνότητας. Ομοίως, η παρούσα εργασία δείχνει εξαιρετική συνέπεια μεταξύ των αποτελεσμάτων των μεθόδων GHFM και LFA σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών, με τις αποκλίσεις να παραμένουν εντός της τυπικής πειραματικής αβεβαιότητας. Συνολικά, η στενή αντιστοιχία μεταξύ της παρούσας μελέτης και προηγούμενων εργασιών επιβεβαιώνει την αξιοπιστία των μεθόδων GHFM και LFA και επικυρώνει την εφαρμοσιμότητα αυτών των μεθόδων τόσο σε συστήματα PEEK χωρίς πληρωτικό όσο και σε συστήματα PEEK ενισχυμένα με ίνες γυαλιού.
Περίληψη
Η θερμική αγωγιμότητα των υλικών TECAPEEK® natural και TECAPEEK® GF30 natural αξιολογήθηκε στο εύρος θερμοκρασιών από -10 °C έως 250 °C, χρησιμοποιώντας ένα θερμομετρητή ροής θερμότητας με θερμική θωράκιση (GHFM) και ανάλυση λέιζερ φλας (LFA). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και για τα δύο υλικά, με το TECAPEEK® GF30 natural να παρουσιάζει υψηλότερη αγωγιμότητα λόγω της ενισχυμένης μεταφοράς θερμότητας μέσω της ενίσχυσης με ίνες γυαλιού. Η ισχυρή συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων των μεθόδων GHFM και LFA, σε συνδυασμό με τη συνέπεια με προηγούμενες μελέτες του NETZSCH, αποδεικνύει την αξιοπιστία αυτών των μεθόδων για τον θερμικό χαρακτηρισμό.