Introduzione
Il polietere etere chetone (PEEK) è un termoplastico ad alte prestazioni ampiamente utilizzato in applicazioni ingegneristiche particolarmente esigenti grazie alla sua eccellente Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica, resistenza meccanica e resistenza chimica. Gradi commerciali come il TECAPEEK® naturale e il TECAPEEK® GF30 naturale rinforzato con fibra di vetro (Figura 1), prodotti da Ensinger, vengono comunemente impiegati per adattare le prestazioni del materiale a specifiche applicazioni.
Il TECAPEEK® naturale è un grado di PEEK non caricato con una densità di ~1,31 g/cm³, mentre il TECAPEEK® GF30 naturale contiene il 30% di fibra di vetro e ha una densità di ~1,53 g/cm³. Entrambi i materiali supportano temperature di esercizio a lungo termine comprese tra ~250 e 260 °C, e le loro conduttività termiche riportate sono ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) e ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
In questa nota applicativa, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del TECAPEEK® naturale e del TECAPEEK® GF30 naturale viene valutata nell'intervallo di temperatura compreso tra -10 °C e 250 °C utilizzando un misuratore di flusso termico protetto (GHFM) NETZSCH TCT 716 Lambda e un analizzatore a flash laser (LFA) NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . I materiali testati sono stati forniti da Ensinger come prodotti disponibili in commercio, garantendo così una diretta rilevanza per le applicazioni reali. Questo intervallo di temperatura riflette le condizioni operative tipiche di settori quali quello aerospaziale, automobilistico, dell’ingegneria elettrica e della lavorazione chimica, in cui le proprietà di trasporto termico influenzano la dissipazione del calore e l’affidabilità dei componenti. I dati sperimentali presentati in questa nota applicativa forniscono agli ingegneri informazioni indipendenti sui materiali disponibili in commercio, a supporto delle decisioni di progettazione nei casi in cui tali dati non siano disponibili.
Sperimentale
Il metodo GHFM consente di misurare direttamente la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in condizioni di regime stazionario, offrendo una valutazione immediata del trasporto di calore in condizioni di equilibrio. Al contrario, la LFA è una tecnica transitoria che misura la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (α), che riflette la velocità con cui il calore si propaga attraverso un materiale. Per determinare la conducibilità termica (λ) utilizzando questa tecnica, la diffusività misurata viene combinata con la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp) e la densità (ρ), determinate indipendentemente. Questa relazione è espressa come:
Questo approccio combinato consente una validazione incrociata tra i valori di conducibilità termica misurati direttamente e quelli calcolati, aumentando l’affidabilità dei risultati ottenuti.
La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica è stata determinata utilizzando un calorimetro a scansione differenziale (DSC) DSC 300 Caliris® dell’ NETZSCH, mentre la densità in funzione della temperatura è stata ottenuta da misurazioni di espansione termica tramite un dilatometro (DIL) 402 Expedis dell’ NETZSCH.
Le misurazioni sono state condotte nell’intervallo di temperatura compreso tra -10 °C e 250 °C per rilevare il comportamento in condizioni operative tipiche, compresa la regione di transizione vetrosa.
Risultati e discussione
La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp) in funzione della temperatura dei materiali TECAPEEK® naturale e TECAPEEK® GF30 naturale è stata misurata ai fini dei calcoli della conducibilità termica basati sul metodo LFA (Figura 2). Nell’intero intervallo di temperatura, il materiale non caricato presenta valori di Cp più elevati rispetto al materiale rinforzato con fibra di vetro, a causa del minore contributo alla capacità termica da parte delle fibre inorganiche. Entrambi i materiali mostrano una transizione vetrosa ben definita: il TECAPEEK® naturale presenta un punto medio intorno ai 157 °C, mentre il TECAPEEK® GF30 naturale mostra un punto medio leggermente inferiore, pari a 152 °C. Il comportamento di transizione vetrosa del PEEK può essere monitorato anche utilizzando la DSC a temperatura modulata [4].
L’espansione termica dipendente dalla temperatura dei materiali TECAPEEK® natural e TECAPEEK® GF30 natural è stata misurata per correggere lo spessore dei campioni nei calcoli della diffusività e la densità nelle determinazioni della conducibilità termica (Figura 3); tuttavia, un’ulteriore analisi di questi dati fornisce anche preziose informazioni sul comportamento del materiale. Si osserva un marcato aumento dell’espansione in prossimità della temperatura di transizione vetrosa (Tg), dove la maggiore mobilità delle catene porta a un coefficiente di espansione termica più elevato. Nel materiale rinforzato con fibra di vetro, l’espansione è fortemente influenzata dall’anisotropia derivante dall’orientamento delle fibre, dalla microstruttura e dalla storia di lavorazione, con conseguente comportamento dipendente dalla direzione delle fibre [5].
Le misurazioni della conducibilità termica ottenute con GHFM e LFA mostrano una forte concordanza sull’intero intervallo di temperatura, con entrambi i materiali che presentano una conducibilità crescente al variare della temperatura (Figura 4). Il TECAPEEK® GF30 naturale dimostra costantemente una Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica superiore rispetto al TECAPEEK® naturale, il che è attribuito alle migliori vie di trasferimento del calore garantite dalle fibre di vetro.
I risultati relativi alla Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica ottenuti nel presente studio sono inoltre in buon accordo con quelli riportati nella Nota applicativa 327 dell’ NETZSCH [5], in particolare sia per quanto riguarda i valori assoluti che le tendenze dipendenti dalla temperatura. Nella Nota applicativa 327, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica determinata tramite misurazione diretta con GHFM e calcoli indiretti con LFA mostra una stretta correlazione quando si utilizzano valori correttidi Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp e densità. Analogamente, il presente lavoro mostra un’eccellente coerenza tra i risultati GHFM e LFA sull’intero intervallo di temperatura, con deviazioni che rimangono entro i limiti della tipica incertezza sperimentale. Nel complesso, la stretta corrispondenza tra questo studio e i lavori precedenti conferma l’affidabilità dei metodi GHFM e LFA e convalida l’applicabilità di questi metodi sia ai sistemi in PEEK non caricati che a quelli rinforzati con fibra di vetro.
Sintesi
La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del TECAPEEK® naturale e del TECAPEEK® GF30 naturale è stata valutata nell’intervallo di temperatura compreso tra -10 °C e 250 °C utilizzando un misuratore di flusso termico protetto (GHFM) e l’analisi laser flash (LFA). I risultati mostrano che la conducibilità termica aumenta con la temperatura per entrambi i materiali, con il TECAPEEK® GF30 naturale che presenta una conducibilità più elevata grazie al miglioramento del trasferimento di calore dovuto al rinforzo in fibra di vetro. La forte concordanza tra i risultati ottenuti con il GHFM e quelli dell’LFA, unita alla coerenza con precedenti studi NETZSCH, dimostra l’affidabilità di questi metodi per la caratterizzazione termica.