Inleiding
Polyetheretherketon (PEEK) is een hoogwaardige thermoplast die vanwege zijn uitstekende Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit, mechanische sterkte en chemische bestendigheid op grote schaal wordt gebruikt in veeleisende technische toepassingen. Commerciële kwaliteiten zoals TECAPEEK® natural en het met glasvezel versterkte TECAPEEK® GF30 natural (Figuur 1), vervaardigd door Ensinger, worden vaak gebruikt om de materiaalprestaties af te stemmen op specifieke toepassingen.
TECAPEEK® natural is een ongevulde PEEK-kwaliteit met een DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van ~1,31 g/cm³, terwijl TECAPEEK® GF30 natural 30% glasvezel bevat en een DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid heeft van ~1,53 g/cm³. Beide materialen zijn bestand tegen langdurige gebruikstemperaturen van ~250 tot 260 °C, en hun gerapporteerde Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid bedraagt ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) en ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
In deze toepassingsnota wordt de warmtegeleidbaarheid van TECAPEEK® natural en TECAPEEK® GF30 natural geëvalueerd binnen het temperatuurbereik van -10 °C tot 250 °C met behulp van een NETZSCH TCT 716 Lambda ‘guarded heat flow meter’ (GHFM) en een NETZSCH LFA 717 HyperFlash® ‘laser flash analyzer’ (LFA). De geteste materialen werden door Ensinger geleverd als standaardvoorraad, waardoor de directe relevantie voor praktijktoepassingen gewaarborgd is. Dit temperatuurbereik weerspiegelt typische bedrijfsomstandigheden in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, de elektrotechniek en de chemische verwerking, waar warmtetransporteigenschappen van invloed zijn op warmteafvoer en de betrouwbaarheid van componenten. De experimentele gegevens die in deze toepassingsnota worden gepresenteerd, bieden ingenieurs onafhankelijke gegevens over in de handel verkrijgbare materialen ter ondersteuning van ontwerpbeslissingen wanneer dergelijke gegevens niet beschikbaar zijn.
Experimenteel
De GHFM-methode maakt een directe, steady-state meting van de warmtegeleidbaarheid mogelijk en biedt daarmee een eenvoudige evaluatie van het warmtetransport onder evenwichtsomstandigheden. LFA daarentegen is een transiënte techniek waarmee de thermische diffusiviteit (α) wordt gemeten, die de snelheid weergeeft waarmee warmte zich door een materiaal verspreidt. Om de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (λ) met behulp van deze techniek te bepalen, wordt de gemeten diffusiviteit gecombineerd met de onafhankelijk bepaalde Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (ρ). Deze relatie wordt uitgedrukt als:
Deze gecombineerde aanpak maakt kruisvalidatie mogelijk tussen directe en berekende waarden voor de warmtegeleidbaarheid, waardoor het vertrouwen in de meetresultaten wordt vergroot.
De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit werd bepaald met behulp van een differentiële scanningcalorimeter (DSC) van NETZSCH DSC 300 Caliris®, terwijl de temperatuurafhankelijke DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid werd verkregen uit thermische uitzettingsmetingen via een dilatometer (DIL) van NETZSCH 402 Expedis®.
De metingen werden uitgevoerd binnen het temperatuurbereik van -10 °C tot 250 °C om het gedrag onder typische gebruiksomstandigheden vast te leggen, inclusief het glasovergangsgebied.
Resultaten en bespreking
De temperatuurafhankelijke soortelijke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) van TECAPEEK® natural en TECAPEEK® GF30 natural is gemeten voor gebruik in de op LFA gebaseerde berekeningen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (figuur 2). Over het gehele temperatuurbereik vertoont het ongevulde materiaal hogere Cp-waarden dan het met glasvezel versterkte materiaal, vanwege de lagere bijdrage aan de warmtecapaciteit van de anorganische vezels. Beide materialen vertonen een duidelijke glasovergang, waarbij TECAPEEK® natural een middelpunt rond 157 °C vertoont, terwijl TECAPEEK® GF30 natural een iets lager middelpunt vertoont bij 152 °C. Het glasovergangsgedrag van PEEK kan ook worden gemonitord met behulp van Temperatuurgemoduleerde DSCTemperatuurgemoduleerde DSC (TM-DSC) wordt gebruikt om meerdere thermische effecten te scheiden die in hetzelfde temperatuurbereik voorkomen en elkaar overlappen in de DSC-curve.temperatuurgemoduleerde DSC [4].
De temperatuurafhankelijke thermische uitzetting van TECAPEEK® natural en TECAPEEK® GF30 natural werd gemeten om de dikte van de proefstukken te corrigeren bij diffusiviteitsberekeningen en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij het bepalen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (Figuur 3); verdere analyse van deze gegevens biedt echter ook waardevolle inzichten in het materiaalgedrag. Er wordt een uitgesproken toename in uitzetting waargenomen nabij de glasovergangstemperatuur (Tg), waar een verhoogde ketenmobiliteit leidt tot een hogere thermische uitzettingscoëfficiënt. In het met glasvezel versterkte materiaal wordt de uitzetting sterk beïnvloed door anisotropie die voortkomt uit de vezeloriëntatie, microstructuur en verwerkingsgeschiedenis, wat resulteert in gedrag dat afhankelijk is van de vezelrichting [5].
Warmtegeleidbaarheidsmetingen van GHFM en LFA vertonen een sterke overeenstemming over het gehele temperatuurbereik, waarbij beide materialen een toenemende geleidbaarheid vertonen bij stijgende temperatuur (Figuur 4). TECAPEEK® GF30 naturel vertoont consequent een hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid dan TECAPEEK® naturel, wat wordt toegeschreven aan verbeterde warmteoverdrachtswegen die door de glasvezels worden geboden.
De in dit onderzoek verkregen resultaten voor de warmtegeleidbaarheid komen ook goed overeen met die welke zijn gerapporteerd in Application Note 327 van d NETZSCH [5], met name wat betreft zowel de absolute waarden als de temperatuurafhankelijke trends. In Application Note 327 vertonen de warmtegeleidbaarheid, bepaald via directe GHFM-metingen en indirecte LFA-berekeningen, een nauwe correlatie wanneer de juisteSpecifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp- en dichtheidswaarden worden ingevoerd. Evenzo toont dit onderzoek een uitstekende consistentie aan tussen de GHFM- en LFA-resultaten over het gehele temperatuurbereik, waarbij de afwijkingen binnen de typische experimentele onzekerheid blijven. Over het geheel genomen bevestigt de nauwe overeenstemming tussen dit onderzoek en eerder werk de betrouwbaarheid van de GHFM- en LFA-methoden en valideert het de toepasbaarheid van deze methoden op zowel ongevulde als met glasvezel versterkte PEEK-systemen.
Samenvatting
De warmtegeleidbaarheid van TECAPEEK® natural en TECAPEEK® GF30 natural werd onderzocht in het temperatuurbereik van -10 °C tot 250 °C met behulp van een ‘guarded heat flow meter’ (GHFM) en laserflashanalyse (LFA). Uit de resultaten blijkt dat de warmtegeleidbaarheid bij beide materialen toeneemt met de temperatuur, waarbij TECAPEEK® GF30 natural een hogere geleidbaarheid vertoont als gevolg van de verbeterde warmteoverdracht door de glasvezelversterking. De sterke overeenstemming tussen de GHFM- en LFA-resultaten, in combinatie met de consistentie met eerdere NETZSCH -onderzoeken, toont de betrouwbaarheid van deze methoden voor thermische karakterisering aan.