پلیمرهای مقاوم به گرما
بسپار/ ایران پلیمر اکثر گرمانرمهای موجود در آشپزخانه و صفحات مدارها (circuit board) در معرض گرما قرار میگیرند. موادی مانند پلی آمید 66 اصلاح شده، بسپارهای بلورمایع (LCP)، پلی فتالآمید (PPA)، پل یفنیلن سولفید (PPS) و پلی آری لاترکتون می‌توانند پیشنهاد خوبی برای قالبسازان و OEM هایی باشند که به دنبال گرمانرمهای با مقاومت گرمایی زیاد هستند. در این مقاله، نگاهی داریم به پیشرفت‌هایی که اخیرا اتفاق افتاده است
اخیرا شرکتKuraray نمونه‌ای از گونه E&E (برای کاربرد در قطعات برق و الکترونیک) را برای پاسخگویی به تقاضای بازار اروپا تولید کرده است، این نمونه جدید با 30 درصد الیاف شیشه تقویت شده و از انواع UL94 V-0 (استاندارد اشتعال پذیری) فاقد هالوژن پلی آمید 9T با نام Genestar است. Genster نوعی پلی فتالآمید می‌باشد که در بازار آسیا به خوبی شناخته شده است، جاییکه این مواد به عنوان رابط های (connector) فناوری سطح نشین (SMT) (surface mount technology ) (روشی برای ساخت مدارهای برقی است که در آن اجزا مستقیما روی سطح صفحه مدار نصب می شود) استفاده میشوند.
این ماده قابلیت استفاده در شرایط مرطوب را دارد و به صورت ذاتی دارای سطح حساس به رطوبت (MSL) 1 است، این بدان معناست که محدودیت زمانی برای قطعاتی که قبل از فروختن از بسته بندی خارج شده اند، وجود ندارد و فرایندپذیری آن نیز آسان است.
امروزه بازار به طور ویژه‌ای با EVAL اروپا (زیرمجموعه شرکت Kuraray واقع در Antwerp بلژیک) توسعه یافته است. این شرکت می‌خواهد مزایای سِریهای Genesta GP را در اروپا نیز گسترش دهد. GP2300F یک نوع استاندارد با 30 درصد الیاف شیشه است که میتواند برای کاربردهای ذوب مجدد (reflow) مختلف استفاده شود. همچنین GP2300F به لطف شارش زیاد برای استفاده در قطعات نازک طراحی شده است (با دیواره‌هایی به ضخامت کمتر از mm 3/0) و میتواند به عنوان جایگزینی برای بسپارهای بلورمایع (LCP)، بهبود در ضربه پذیری (ductility)، شاخص رد برق مقایس های (Comparative Tracking Index, CTI) بیشتر (شاخصی برای اندازهگیری خواص برقی یک ماده عایق) و استحکام خط جوش را فراهم می کند.
این شرکت به یک نوع مشکی از این مواد اشاره نمود که لیزر را عبور می‌دهد (laser- transparent) و حاوی 30، 35 و 50 درصد از الیاف شیشه می‌باشد. موضوعی که اغلب مهندسان طراحی با آن رو به رو میشوند این است که قابلیت جوشکاری با لیزر در قطعات از جنس PPS ضعیف می‌باشد. ترکیب خواص مختلف از جمله دمای عملکردی زیاد، مقاومت خوب در برابر مواد شیمیایی و شفافیت در برابر لیزر (شکل 1)،Genestar را به یک جایگزین مناسب تبدیل کرده است.
[EasyDNNGallery|12427|Width|600|Height|600|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]
شکل 1: عبوردهی لیزر در nm 940 برحسب ضخامت نمونه
شرکت ژاپنی Polyplastics، تامینکننده گرمانرم های مهندسی (Engineered Thermoplastics (ETPs))، توانسته است با استفاده از تحلیلگر CAE (مهندسی به کمک رایانه) بخشی از میزان تغییرشکل در طی فرایند ذوب مجدد را هنگام ساخت قطعات رابط از بسپار بلورمایع شرکت با نام Laperos پیشبینی کند. استفاده از بسپارهای بلورمایع در تلفنهای همراه و ساعتهای هوشمند و همچنین در قطعات خودرو رو به افزایش است.
همچنین قطعات LCP به طور ویژه‌ای می‌توانند در شرایط دمایی زیاد در فرایند ذوب مجدد مورد استفاده قرار گیرند و این میتواند اثر معکوسی بر میزان تخت بودن (flatness) محصولات داشته باشد. زیرا تغییرشکل در اثر گرما میتواند موجب اتصال ضعیف و در نتیجه لحیم‌کاری (soldering) نامناسب با بدنه ی فلزی شود. از این رو، پیدا کردن راهی که بتواند میزان تغییرشکل گرمایی را کاهش دهد از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، برای همین تقاضای بازار به ویژه برای رابط های کوچکتر رو به افزایش است. به همین دلیل این شرکت با کمک گرفتن از نتایج CAE شروع به پیشبینی تغییرشکل مرحله‌ای قطعات قالبی در فرایند ذوب مجدد کرد.
3 مرحله تغییرشکل که میتواند با استفاده از تحلیلگر CAE پیشبینی شود توسط شرکت Polyplastics شناسایی شده است. این مراحل شامل تغییرشکل اولیه بعد از قالبگیری یا تاب برداشتن، تغییرشکل گرمایی در اوج (at-peak) که عمدتا به دلیل تاثیر انبساط گرمایی همراه با جمعشدگی بعد از قالبگیری است و تغییرشکل پس از سرمایش که عمدتا به اثرات جمعشدگی گرمایی مربوط است، است.
شرکتPolyplastic کار خود را با توسعه فناوری تحلیلگر CAE به منظور بهبود دقت و گسترش طیف وسیعی از کاربردهای آن ادامه می‌دهد.
پیشبینی تغییرشکل در مرحله طراحی با استفاده از تحلیلگر CAE به مهندسان طراحی قطعات الکترونیک که باید فرایند ذوب مجدد را بگذرانند کمک میکند تا در صورتیکه پیونددهی ضعیف یا تغییرشکل محصول به علت تغییرشکل گرمایی داشته باشند را بشناسند. همچنین این موضوع میتواند به خودروسازان و صنایعی که به دنبال جایگزین فلزات با پلاستیک‌های مقاوم به گرما هستند، کمک کند.
طبق ادعای شرکتPolyplastics بسپارهای بلورمایع Laperos شرکت در مقایسه با رقیب PPA خود، (PA4T شرکت DSM، که در رابطهای بسیار کوچک نظیر USB نوع C استفاده میشود) Laperos امتیاز مقاومت گرمایی زیاد، ضریب انبساط گرمایی کم، شارش مذاب زیاد و چرخه سریع دارد.
دیگر امتیاز LCP این است که با توجه به خواصی که در جدول 1 نشان داده شده است، بسیاری از رابط های قدیمی از این بسپار ساخته شده است، بنابراین استفاده از این مواد برای سازندگان رابط بسیار راحتتر است و تغییر دادن این ماده کار دشواری می‌باشد، زیرا قالب‌هایی که برای نوع خاصی از مواد رقیب تهیه شده است ممکن است به اصلاحات ویژه‌ای نیاز داشته باشد تا بتواند با نوع دیگری از مواد راهاندازی شود.
|
خواص |
روش انجام آزمون |
واحد |
S475 |
S471 |
E480i |
E473i |
E471i |
E130i |
|
استحکام خمشی |
ISO 178 |
MPa |
180 |
180 |
200 |
160 |
195 |
220 |
|
مدول خمشی |
ISO 178 |
MPa |
12500 |
12700 |
16000 |
11000 |
13500 |
15000 |
|
کرنش خمشی |
ISO 178 |
% |
5/2 |
0/2 |
1/2 |
8/2 |
5/2 |
3/2 |
|
دمای وارفتگی تحت بار (MPa 8/1) |
ISO75-1,2 |
°C |
305 |
315 |
270 |
250 |
265 |
280 |
|
اشتعالپذیری |
UL94 |
– |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
|
حداقل فشار پرشدگی رابط FPC نوع (1* ) |
روش شرکت Polyplastics |
MPa |
– |
100 |
– |
76 |
110 |
140 |
|
حداقل فشار پرشدگی رابط FPC نوع (2* ) |
روش شرکت Polyplastics |
MPa |
90 |
– |
– |
170 |
|
|
|
(1*) گام mm 5/0، 30 پین مرتب شده در 2 ردیف، 4 حفره، راهگاه یکسان، گلویی زیرین تکنقطهای (one-point submarine) (قطر mm 4/0)، حداقل ضخامت mm 18/0. (2*) مشابه مورد بالایی، اما حداقل ضخامت mm 12/0. |
||||||||
جدول 1: خواص کلی بسپار بلورمایعLaperos شرکت Polyplastics مورد استفاده در رابط ها
به گفته شرکت DSM، PA4T توسط چندین تولیدکننده جهانی برای استفاده در رابط های USB نوعC (شکل 2) تایید شده است. این ماده شاخص CTI بیش از 400V دارد و میتواند تا دو برابر مواد جایگزین عملکرد خود را در دماهای زیاد حفظ کند. اغلب مواد جایگزین CTI کمتر از 400V نشان میدهند. آزمون های انجام شده روی رابط های تولید شده از LCP نشان داد پین‌های رابط ها پس از 9 بار سقوط (drop) به دلیل اتصال کوتاه وامیدهند، اما نه PA46 (Stanyl شرکت DSM مورد استفاده برای قطعات الکترونیک) و نه PA 4T وانمیدهند.
[EasyDNNGallery|12428|Width|600|Height|600|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]
شکل 2: قطعات الکترونیکی کوچک مانند رابط های USB نوع C از موادی مانند LCPها، PA4T و پلی فتال آمیدهای9T .
بیشترین پلی‌آمید‌ی که در کاربردهای تحت دمای زیاد استفاده میشوند، PPA هستند، اما همه آنها به این منظور استفاده نمی‌شوند. تامینکنندگان بیشتر به خاطر پلی‌آمیدهای 6 و 66 که خارج از استاندارد می‌باشند تحت فشار هستند (به عنوان مثال، سِریهای Vydyne HT از شرکت Ascend Performance Materials وTechnyl Red J از شرکتSolvay Performance Plastics، که برای سامانه‌های توربوشارژر (turbocharger) در دمای 220 درجه سانتیگراد طراحی شده‌اند).
سال گذشته جدیدترین سامانه پایدارکننده گرمایی برای انواع پلی‌آمید 66 از خانواده Durethanبا نام XTS2 (مخفف Xtreme Temperature Stabilisation) توسط شرکت Lanxess تجاریسازی شد. این سامانه، مقاومت در برابر پیرشدگی گرمایی پلی‌آمید 66 را افزایش می‌دهد. به لطف پایدارکننده گرمایی فاقد آهن، انواع مختلف پلی‌آمید 66 می‌توانند در دماهای بیش از 230 درجه سانتیگراد در طولانی مدت دوام بیاورند.
اولین محصول سِری محصولات XTS2 با نام Durethan AKV35XTS2 حاوی 35 درصد الیاف شیشه است. انواع این محصولات در آینده می‌توانند حاوی مقادیر مختلف مواد تقویتکننده باشند.
طبق آزمونهای انجام شده در هوای داغ به مدت طولانی، حتی بعد از 3000 ساعت انبارش مواد در دمای 230 درجه سانتیگراد، کاهش تنش در نقطه شکست و مدول کشسان ناچیز است. هدف اصلی استفاده از Durethan AKV35XTS2 در قطعات موتور خودرو می‌باشد، مانند مکنده‌های هوای چندمنظوره با خنککننده‌های هوا و یا لوله‌های هوا که در مجاورت توربوشارژر قرار دارد. پایدارکننده هایXST1 و XTS3 شرکت Lanxess توانایی استفاده مداوم از Durethan در دمای حدود 200 درجه سانتیگراد را دارند.
تعدادی از تامینکنندگان پلی‌آمید برای کاربردهای تحت گرمای زیاد از روش دوجزئی (twin-pronged) استفاده میکنند و به منظور بهبود در مقاومت گرمایی PPA و یا بقیه پلی‌آمیدها، استفاده از پلی‌فنیلنسولفیدها را پیشنهاد میدهند. شرکت RadiciGroup یکی از این تامینکنندگان است که PPS با نامRaditeck P و PPA با نامRadilon Aestus را عرضه میکند. پلی‌آمید 66 اصلاح شده این شرکت (در اصل توسط شرکت Invista که دو سال پیش Radici را خرید، تولید شده است) میتواند تا دماهای کاربردی 190 درجه سانتیگراد بهطور مداوم مقاومت کند.
همچنین، شارش‌پذیری بسیار خوب این ماده که منجر به ایجاد سطح صاف در قطعات ساخته شده میشود، این ماده را به گزینهای بسیار مناسب برای استفاده در قطعاتی که به آببندی نیاز دارند تبدیل کرده است (مانند مکنده‌های هوای چندمنظوره و مخزن‌های روغن). خانواده Radilon HHR (همچنین مواد بر پایه پلی‌آمید 66 اما اصل Radici) موادی هستند که برای کاربردهایی که مواد به طور پیوسته در معرض دماهای تا 210 درجه سانتیگراد و در تماس با هوای داغ قرار دارند، انتخاب میشوند.
مواد تحت گرما در آشپزخانه
پلیفتالآمید Radilon Aestus شرکت Radici (بر پایه PA6T) پتانسیل استفاده در دو بازار کاملا متفاوت، لوازم آشپزخانه و قطعات الکترونیک را دارد. شرکت انواع حاوی مقادیر بسیار کم مواد قابل استخراج (extractables) برای لوازم آشپزخانه که به مقاومت در دماهای زیاد نیاز دارند، تولید کرده است (خانواده FC یا تماس با مواد غذایی که بهطور معمول حاوی 35 درصد الیاف شیشه هستند). همچنین انواعی برای استفاده در قطعات الکترونیک عرضه کردند که در برابر ذوب مجدد در دماهای لحیم‌کاری مقاوم هستند و برای کاربردهای پرقدرت (high power) که قبلا با استفاده از گرماسخت‌ها ساخته می‌شد، مناسب است.
PPs میتواند یک انتخاب خوب برای مواردی باشد که پایداری ابعادی در آن یک مشخصه ضروری است و همچنین بر خلاف دیگر پلی‌آمیدها، PPS جاذب رطوبت نمی‌باشد. دیگر مزیت ذاتی این مواد تاخیراندازندگی آن در برابر شعله است.
این مزایا باید در مقابل مواردی مانند استحکام ضربه کمتر از حد ایدهآل در حالت اصلاح نشده و همچنین نیاز مکرر به استفاده از قالب‌های تزریقی گرم شده با روغن، سنجیده شود.
شرکت آمیزهساز Lehmann & Voss به یک خط بر پایه پلیاترکتونکتون (PEKK) (باPEEK یا پلیاتراترکتون اشتباه گرفته نشود) با نام luvocom 1114 اشاره نمود. چند مشخصه بارز این مواد شامل خواص منحصر به فرد سایش (tribological)، ضریب شکست پایدار در دمای زیاد، افزایش مقاومت در برابر رفتگی (wear) ناشی از دما، استحکام زیاد قابل دستیابی تحت گرما، (Tg PEKK 165 درجه سانتیگراد است) است.
شرکت Lehmann & Voss با استفاده از بسپار PEKK به عنوان پایه، محصولات خود را برای کاربردها با خواص مکانیکی و سایش عالی، تولید و گسترش داده است. بسپارهای اصلاح نشده به تنهایی مشخصات رفتگی خوبی را نشان میدهند. آزمایشات حتی مقادیر منفی برای رفتگی اولیه و همچنین الگوهای رفتگی مناسب با محدوده‌های کم نوسان (fluctuation) نشان میدهند.
آمیزههای PEKK تولید شده، در مقایسه با آمیزههای PEEK با ترکیببندی مشابه، بهبود در خواص سایش نشان میدهند. این موضوع تحت شرایط مختلف آزمون، به عنوان مثال در همبری با مواد دیگر (mating) مختلف و در دماهای زیاد، تایید شده است.
بحث در مورد مواد PEEK و PEKK ادامه دارد. شرکت آمیزهساز رقیب، Akro-Plastic، انواع PEEK اصلاح شده با PTFE Akrotek معرفی کرده است. این نوع اکنون میتواند به بازار موادی را پیشنهاد دهد که در قالبگیری تزریقی، لایه لایه شدن (delamination) کمتر در ناحیه گلویی (gating) قالب و کاهش چسبیدن مواد در قالب منجر شود. این خاصیت باعث کاهش خرابی و زمان توقف برای تجهیزات قالبگیری تزریقی شده و یک مزیت برای قالب کار محسوب میشود.
شرکت Akro-Plastic به ویژه به انواع حاوی مقادیر زیاد الیاف کربن مانند Akrotek PEEK CF 50-9 (5447) سیاه اشاره نمود که میتواند مدول کششی تا حدود GPa 40 را نشان دهد. این ویژگی باعث میشود که این ماده الزامات کاربردهای هوافضا و قطعات سبک خودرو را برآورده سازد. از طرف دیگر، محصول Akrotek LF (6624) سیاه به‌عنوان راه حلی برای کاربردهای ESD (Electroststic Dissipation) با چگالی کم در و مقادیر تکرار‌پذیر معرفی شده است. در خط تولید جدید، آمیزههای پیونددهی PEEK به فلز با استفاده از فناوری PST (Plasma Seal Tight) که یک نوع اصلاح از طریق پلاسما است تولید میشود. این فناوری یک نقطه عطف برای این شرکت به منظور ورود به بازارهای جدید محسوب میشود.
شرکت Eurotec طیف وسیعی از بسپارها با کارایی خوب نظیر PEEK و پلی اترایمید (PEI) و همچنین پلی‌آمید 66، PPA و PPS را تولید میکند که مقایسه خواص این مواد در جدول 2 آورده شده است. مزیت مقاومت گرمایی طولانی مدت PEI و PEEK این اجازه را می‌دهد که در کاربردهایی مانند قطعات آتشزا، حسگرهای مورد استفاده در اجزای زیر کاپوت خودرو (hood)، سرپیچها (sockets) و سیم پیچهای (bobbins) موجود در قطعات الکترونیکی استفاده شوند. دیگر مزایای این مواد شامل بهبود مقاومت شیمیایی و خوردگی، استحکام و سفتی (stiffness) عالی و تاخیراندازندگی ذاتی شعله است.
جدول 2: مقایسه خواص گرمانرم های شرکت Eurotec
|
خواص |
واحد |
Tecotek (PEI) |
Tecopeek (PEEK) |
PPS (Lineer) |
Tecomid HT (PPA) |
Tecomid (PA6.6) |
|
دمای گذار شیشه (Tg) |
C° |
217 |
143 |
90 |
125 |
60 |
|
دمای ذوب (Tm) |
C° |
– |
343 |
280 |
315 |
265 |
|
دمای کاربری مداوم |
C° |
170 |
260 |
230-210 |
180 |
140 |
|
HDT (MPa 80/1) |
C° |
200 |
152 |
110-95 |
نوشته های مشابه |
