مادة بلاستيكية عالية الحرارة

كان البحث والتطوير في مجالات كيمياء البوليمرات وعلوم المواد مهمًا في منتصف القرن العشرين. تم إنشاء البلاستيك والبوليمرات نتيجة لهذا البحث والتطوير. كانت هذه المواد قادرة على تحمل درجات حرارة أعلى. تم إنشاء بوليفينيل كبريتيد وبولي تترافلورو إيثيلين في البداية والتي أثبتت قدرتها على مواجهة درجات حرارة أعلى وتحملها مقارنة بالبلاستيك التقليدي. أثارت صناعة الطيران والفضاء طلبًا كبيرًا ومتطلبات للبوليمرات أو البلاستيك عالي الحرارة في السبعينيات. أدت الجهود التي بذلت بسبب متطلبات المواد خفيفة الوزن ذات الخصائص الميكانيكية والحرارية المتميزة إلى إنشاء بوليمرات مثل أنواع عديدة من البولي أميدات والبولي إيثر إيثيركيتون.

في نهاية المطاف، تم استبدال الأجزاء المعدنية لمحركات الطائرات ومكوناتها الهيكلية بهذه المواد البلاستيكية خفيفة الوزن ومقاومة درجات الحرارة العالية. تميل المواد البلاستيكية التقليدية إلى التليين عند درجات الحرارة المرتفعة ثم تبدأ في التحلل عند هذه درجات الحرارة المرتفعة. من ناحية أخرى، تحافظ المواد البلاستيكية عالية الحرارة على خصائصها سليمة عند درجات الحرارة المرتفعة وتعتبر مناسبة للاستخدام في الصناعات التي توجد فيها ظروف تشغيل قاسية. تشمل هذه الخصائص المقاومة الكيميائية والاستقرار البعدي والخصائص الميكانيكية التي تعد حيوية لأداء المواد البلاستيكية عالية الحرارة. هذه المواد البلاستيكية عالية الحرارة المصممة لمواجهة درجات الحرارة العالية وتحملها في البيئات القاسية تسمى أيضًا بالبلاستيك الحراري الهندسي أو البلاستيك الحراري عالي الأداء.

 

تعريف مادة البلاستيك ذات درجات الحرارة العالية

مادة بلاستيكية عالية الحرارة هي المادة التي تم تصميمها خصيصًا للعمل في درجات حرارة عالية وتحمل هذه درجات الحرارة المرتفعة. الميزة الأساسية التي لها أهمية هي أن المواد البلاستيكية عالية الحرارة تحافظ على سلامتها البنيوية وخصائصها الميكانيكية في درجات الحرارة المرتفعة. تحافظ هذه المواد البلاستيكية الهندسية عالية الأداء على شكلها الأصلي ولا تتشوه أثناء التشغيل في درجات حرارة مرتفعة.

اعتمادًا على فئة البلاستيك، فإنها تحافظ على خصائصها بين نطاقات درجات الحرارة من 150 درجة مئوية إلى أكثر من 300 درجة مئوية. تجد هذه البلاستيكات ذات درجات الحرارة العالية استخدامها في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حيث تتحلل البلاستيكات العادية وتتشوه ولا يمكنها تحمل تلك درجات الحرارة العالية. ومن الجدير بالذكر أن المعادن تتحمل وزنًا كبيرًا كما أن المعادن أيضًا عرضة للتآكل. مع وضع ذلك في الاعتبار، تحل المواد البلاستيكية ذات درجات الحرارة العالية محل الوجبات في مثل هذه التطبيقات لأنها خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل.

البوليمرات ذات درجات الحرارة العالية والبلاستيك ذات درجات الحرارة العالية (التمايز)

إن الاختلاف في التركيب والبنية يميز بين البلاستيك والبوليمرات. تشكل البوليمرات عالية الحرارة فئة واسعة في حين تشكل البلاستيكات عالية الحرارة مجموعة فرعية من هذه الفئة الأوسع. تتكون البوليمرات عالية الحرارة من كل من المواد الصلبة بالحرارة والمواد البلاستيكية الحرارية. يتم تطبيق طرق البلمرة المتقدمة لتركيب هذه البوليمرات. في معظم الأحيان يتم استخدام التعزيزات أو الإضافات المحددة لزيادة أدائها في مواجهة درجات الحرارة المرتفعة.

ومع ذلك، فإن المواد البلاستيكية عالية الحرارة تتكون فقط من اللدائن الحرارية. وقد صُممت هذه المواد البلاستيكية لتتحمل درجات الحرارة المرتفعة دون أن تتشوه. ولا تتعرض هذه المواد البلاستيكية للتدهور على الإطلاق عند درجات الحرارة المرتفعة. وقد صُممت هذه المواد البلاستيكية خصيصًا للحفاظ على مقاومتها الكيميائية وخصائصها الميكانيكية واستقرارها البعدي في بيئة درجات الحرارة المرتفعة.

ما هي مواد البلاستيك ذات درجات الحرارة العالية (الخصائص والتطبيقات)؟

وفيما يلي المواد التي تندرج ضمن فئة البلاستيك عالي الحرارة.

1. بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE)

هذه المادة التي يطلق عليها أيضًا اسم PTFE هي عازل كهربائي ممتاز ويتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب العزل الكهربائي. تُستخدم هذه المادة أيضًا في الطلاء غير اللاصق وخاصة في أواني الطهي وفي الأختام والمحامل. يعتمد هذا الاستخدام على بعض الخصائص البارزة لهذه المادة على النحو التالي.

• استقرار درجة الحرارة العالية
• معامل احتكاك منخفض
• مقاومة جيدة للمواد الكيميائية

2. بوليفينيلين كبريتيد (PPS)

هذه المادة PPS هي عبارة عن مادة بلاستيكية حرارية ذات بنية شبه بلورية وتتميز بالخصائص المهمة التالية.

• مقاومة اللهب (المتأصلة)
• مقاومة درجات الحرارة العالية
• المقاومة الكيميائية
• الاستقرار البعدي

هذه الخصائص جعلت هذه المادة مناسبة للاستخدام في التطبيقات الصناعية. كما تستخدم هذه المادة في قطاع الكهرباء والإلكترونيات في إنتاج الهياكل والموصلات. علاوة على ذلك، تستخدم هذه المادة في صناعة السيارات لتصنيع المكونات الموجودة أسفل غطاء المحرك. انتقل إلى حقن PPS لمعرفة المزيد عن هذه المادة.

3. بوليمر البلورات السائلة (LCP)

تجد هذه المادة، والتي يشار إليها أيضًا باسم LCP، تطبيقاتها في المجالات التالية.

• قطاع الاتصالات
• صناعة الإلكترونيات (تصنيع المفاتيح والموصلات)
• صناعة السيارات (إنتاج المكونات الموجودة تحت غطاء المحرك)

تتمتع هذه المادة بالخصائص الهامة التالية التي تمكن من استخدام هذه المواد في التطبيقات المذكورة أعلاه.

• مقاومة كيميائية ممتازة
• قوة ميكانيكية عالية
• استقرار أبعادي جيد
• صلابة ممتازة

4. بولي إيثير إيثيركيتون (PEEK)

هذه المادة هي أيضًا مادة بلاستيكية حرارية ذات بنية شبه بلورية وتُسمى أيضًا PEEK. تتميز هذه المادة بالخصائص التالية.

• نسبة عالية من القوة إلى الوزن
• خصائص ميكانيكية جيدة
• مقاومة كيميائية ممتازة
• الثبات عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 250 درجة مئوية

مع الأخذ في الاعتبار الخصائص المذكورة أعلاه لـ PEEK، يتم استخدامه على نطاق واسع في التطبيقات التالية لتصنيع المكونات التي تتطلب مقاومة الظروف البيئية القاسية والقوة الميكانيكية الجيدة. انتقل إلى حقن البلاستيك البيك لمعرفة المزيد.

• صناعة أشباه الموصلات
• قطاع السيارات
• صناعة الطيران والفضاء
• القطاع الطبي

5. بولي إيثيريميد (PEI)

تتمتع هذه المادة، والتي تسمى أيضًا PEI، بالخصائص المهمة التالية.

• مقاومة اللهب
• قوة ميكانيكية جيدة
• مقاومة حرارية عالية
• استقرار أبعادي ممتاز
• خصائص كهربائية جيدة

وتغطي التطبيقات الرئيسية لهذه المادة القطاعات التالية:

• القطاع الطبي (تصنيع الأدوات الجراحية القابلة للتعقيم)
• صناعة السيارات
• صناعة الالكترونيات
• قطاع الطيران والفضاء

6. البولي إيميدات (PI)

تتميز مادة البوليميدات والتي يطلق عليها أيضًا اسم PI بالخصائص التالية.

• خصائص ميكانيكية جيدة
• استقرار حراري ممتاز يصل إلى 400 درجة مئوية
• مقاومة جيدة للمواد الكيميائية
• التمدد الحراري المنخفض

يتم استخدام هذه المادة على نطاق واسع في الصناعة الإلكترونية وقطاع الطيران وصناعة السيارات للتطبيقات التالية.

• العزل الكهربائي
• الدروع الحرارية
• أجزاء المحرك وقطع الغيار
• لوحات الدوائر

7.  الفلوروبوليمرات (FPE)

المواد البلاستيكية ذات درجات الحرارة المرتفعة التي تندرج ضمن هذه الفئة الأوسع هي كما يلي.

• الفليورين الإيثيلين البروبيلين
• بولي تترافلورو إيثيلين
• بيرفلوروالكوكسي

تميل هذه البوليمرات إلى إظهار بعض الصفات الموصوفة على النحو التالي.

• ارتفاع درجة الحرارة الاستقرار
• مقاومة كيميائية ممتازة (ضد الأحماض والقواعد والعديد من المذيبات)
• معامل احتكاك منخفض

تجد هذه المواد تطبيقاتها بشكل رئيسي في التطبيقات التالية.

• طلاء الأسلاك
• معالجة أشباه الموصلات
• الأنابيب
• الأختام
• بطانات
• معدات المعالجة الكيميائية

  8. بوليفينيل سلفون (PPSU)

PPSU هو جزء بلاستيكي هندسي عالي الحرارة مصنوع من مادة ترموبلاستيكية تم اكتشافه في ستينيات القرن العشرين. تبلغ كثافته 1.24 جم/سم2، وامتصاصه للماء 0.22%، ومعدل انكماشه 1.007 (0.7%)، ودرجة انصهاره 190 درجة مئوية، ودرجة تشوهه الحراري 1.82 ميجا باسكال عند 174 درجة مئوية، وتتراوح درجة حرارة الاستخدام طويل الأمد من -100 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية. وهو أحد أعلى المواد البلاستيكية جودةً بينها.

عملية صب بسيطة لمادة البلاستيك PPSU

التجفيف المسبق: يجب تجفيف مادة البولي بروبلين مسبقًا قبل المعالجة لإزالة الرطوبة من المادة ومنع تفاعلات التحلل المائي عند درجات الحرارة العالية. تتراوح درجة حرارة التجفيف بين 90 درجة مئوية و110 درجة مئوية، أي ما لا يقل عن 3 إلى 4 ساعات من وقت التجفيف.

التسخين المسبق: يجب تسخين مادة البولي بروبلين مسبقًا قبل عملية القولبة بالحقن لتحسين سيولة المادة. وعادة ما تكون درجة حرارة التسخين المسبق بين 80 و120 درجة مئوية.

الحقن: حقن مادة البولي بروبلين في القالب. يجب تحديد ضغط الحقن وسرعته وفقًا لنوع وسمك جدار القالب المحقن.

التبريد: هذا يشبه إلى حد كبير أجزاء القولبة بالحقن الأخرى، ولكن PPSU يحتاج إلى درجة حرارة قالب أعلى من مادة ABS أو PC، لذلك عادةً ما يكون وقت التبريد أطول قليلاً، ولكن هذا يعتمد على سمك جدار جزء القولبة.

الطرد: بمجرد حقن صب PPSU بعد أن تبرد الأجزاء تمامًا في تجويف القالب، ينفتح القالب ويقوم نظام القذف بقذف الجزء المصبوب خارج القالب.

مرحلة ما بعد المعالجة: قد تحتاج بعض الأجزاء إلى بعض مرحلة ما بعد التصنيع، مثل التشغيل الآلي، والتحويل باستخدام الحاسب الآلي، والتنظيف، وما إلى ذلك، اعتمادًا على متطلبات العميل.

تطبيق أجزاء صب PPUS،

تعتبر مادة PPUS باهظة الثمن وتستخدم عادة في الأجهزة الكهربائية والإلكترونيات والصناعات الطبية وزجاجات الأطفال والأجهزة وأقسام الطيران والفضاء للأجزاء المقاومة للحرارة والمقاومة للتآكل وعالية القوة وأجزاء العزل والأفلام الصناعية وما إلى ذلك.

الجدول أدناه هو بعض المواد ذات درجة الحرارة العالية للرجوع إليها، إذا كنت بحاجة إلى أجزاء صب البلاستيك ذات درجة الحرارة العالية، فنحن نرحب بك للاتصال بنا.

مميزة	اختبار ASTM	مادة البولي تترافلورو إيثيلين	PFA	إف إي بي	إتلاف	مادة البولي فينيل كلوريد رباعية الإثيلين	بولي فينيل كلوريد	نظرة خاطفة	جامعة ولاية بيتسبرغ	بي بي اس
نقطة الانصهار	(تقريبي تيم: ج)	327	308	270	260	211	175	343	250	278
الحد الأقصى لدرجة الحرارة للاستخدام المستمر	(20000 ساعة، القيمة النظرية:℃	260	260	200	150	120	150	260	180	240
الموصلية الحرارية	C177(( واط/سم·ك).درجة مئوية/سم)	0.25	0.25	0.25	0.24	0.21	0.13	0.66	0.45	0.5
صلابة (الشاطئ)	جهاز اختبار صلابة الشاطئ D	د50-د65	د60	د55	د70-د75	د80	د75-د85	د85	د85-95	د87-95
قوة الشد (ميجا باسكال)	د638	25-40	28-35	20-25	40-50	32-40	40-58	98 – 100	94-100	>150
قوة الضغط (ميجا باسكال)	D695/1% التشوه، 25 درجة مئوية	5-6	5-6	5-6	11	9-12	13-14	25-35	95	27-134
الاستطالة (%)	د638	250-450	300-400	270-330	400-450	90-250	300-450	40-50	60-120	200
قوة التأثير (جول/م)	د256	160-170	لا كسر	لا كسر	لا كسر	135-145	1105	40-50	690	800
حَجم	د792	2.13-2.22	2.12-2.27	2.12-2.27	1.70-1.86	2.10-2.14	1.76-1.78	1.26 – 1.32	1.32-1.5	1.32-1.5
معدل الانكماش	(القيمة النظرية)	2%-5%	4%	3%-6%	3%-4%	1.5%-2%	1.40%	0.50%	0.50%	0.50%
ثابت العزل	د150/106 هرتز	2.1	2.1	2.1	2.6	2.4	6.43	3.2	3.94	3.5
قوة الانهيار الكهربائي(MV/V)	D149/وقت اللقطة، 3.2 مم	19	20	20-24	16	20-24	10	25	6.3	17
مقاومة الطقس		ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز
مقاومة المواد الكيميائية		ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز	ممتاز
مثبطات اللهب، مثبطات اللهب (%)	تحديد تركيز مؤشر الأكسجين	>95	>95	>95	>31	>95	>43	>95	>95	>95

ما هي طرق معالجة البلاستيك ذو درجات الحرارة العالية؟

يتم استخدام تقنيات خاصة لمعالجة البلاستيك عالي الحرارة. علاوة على ذلك، أثناء المعالجة، يتم التأكد من أن خصائص البلاستيك عالي الحرارة بما في ذلك القوة الميكانيكية ومقاومة الحرارة تظل سليمة طوال عملية التصنيع بأكملها.

الطرق الأكثر شيوعا واستخداما على نطاق واسع لمعالجة البلاستيك ذات درجات الحرارة العالية هي كما يلي.

1. صب الضغط

في هذه العملية يتم تحضير تجويف القالب المفتوح. ثم يتم تسخين تجويف القالب هذا ووضع كمية محسوبة من البلاستيك بداخله. بعد ذلك يتم إغلاق هذا القالب وتطبيق ضغط مناسب على المادة. يؤدي تطبيق هذا الضغط إلى ضغط المادة وتحويلها إلى الشكل المطلوب. يتم تشكيل الأجزاء ذات الحجم الكبير والأشكال الهندسية المعقدة بهذه الطريقة. يصعب تشكيل هذه الأجزاء بعمليات تشكيل أخرى. تشمل المواد التي تتم معالجتها بطريقة التشكيل بالضغط البولي إيثر إيثير كيتون والبولي إيميد والبلاستيك عالي الحرارة. يجب التحكم في المعلمات التالية لإنتاج منتج نهائي موحد وخالٍ من العيوب.

• درجة حرارة
• ضغط
• وقت التشكيل

2. القولبة بالحقن

في طريقة المعالجة هذه، يتم أولاً تحضير تجويف القالب بالشكل المطلوب. بعد ذلك يتم حقن المادة البلاستيكية في شكل منصهر في تجويف القالب هذا. يتم إجراء هذا الحقن تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. تتم معالجة البلاستيك عالي الحرارة بشكل شائع من خلال عملية القولبة بالحقن. هذه الطريقة مناسبة للعناصر ذات الحجم الكبير والأشكال المعقدة. تتكون المواد التي تتم معالجتها من خلال عملية القولبة بالحقن من الفلوروبوليمرات وكبريتيد البولي فينيلين وبولي إيثير إيثير كيتون وبولي إيثير إيميد. المعلمات المطلوب التحكم فيها لتجنب الانحناء وتحقيق الاستقرار البعدي هي كما يلي:

• معدلات التبريد
• درجة حرارة
• مقاومة مادة القالب للبيئة المسببة للتآكل
• مادة القالب مقاومة لدرجات الحرارة العالية

3. البثق

تستخدم هذه الطريقة عملية البثق لإنتاج المنتج أو العنصر المطلوب. في تقنية المعالجة هذه، يتم استخدام قالب دائم بالشكل المطلوب. يتم دفع المادة البلاستيكية في شكل منصهر إلى القالب باستخدام قوة الضغط. ونتيجة لهذا المنتج، يتم إنتاج مقطع عرضي موحد يحمل شكلًا مستمرًا. لتجنب التدهور الحراري، يعد التحكم في درجة حرارة البثق أمرًا بالغ الأهمية.

في معالجة البثق للمواد البلاستيكية عالية الحرارة، تختلف جودة المنتج المبثوق والتدفق السلس للمادة من مادة إلى أخرى. لذا، يتم تعديل هندسة القالب وتصميم البراغي لتحقيق الجودة المطلوبة. تشمل المواد البلاستيكية عالية الحرارة الأكثر شيوعًا والتي تتم معالجتها عادةً من خلال طريقة البثق المركبات البلاستيكية الحرارية والبوليمرات الفلورية وكبريتيد البولي فينيلين والبولي إيثير إيثير كيتون. يتم إنتاج المنتجات التالية عادةً من خلال طريقة المعالجة هذه.

• أنابيب
• أوراق
• قضبان
• ملفات تعريف البلاستيك ذات درجات الحرارة العالية

4.  التصنيع

تتضمن تقنية المعالجة هذه استخدام آلات وأدوات مختلفة لتشكيل البلاستيك عالي الحرارة. في هذه الطريقة، تُستخدم الآلات الأكثر شيوعًا وهي آلات CNC وآلات الطحن وآلات الخراطة. يتم تطبيق هذا النوع من المعالجة على المنتجات أو العناصر ذات الهندسة المعقدة والحجم المنخفض. تتطلب هذه الطريقة أدوات خاصة وتقنيات متخصصة بسبب مقاومة المادة ومتانتها. تصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي PEEK لمعرفة المزيد.

ولكن لا يزال من الممكن تصنيع جميع أنواع البلاستيك عالي الحرارة باستخدام هذه التقنية. أثناء عملية تصنيع البلاستيك عالي الحرارة يتم توليد كمية كبيرة من الحرارة. هذه الحرارة ضرورية لزعزعة استقرار دقة أبعاد العنصر ونشر تدهور المادة. من أجل القضاء على الآثار السلبية لهذه الحرارة، يتم إجراء التزييت أثناء عملية التصنيع.

5. التصنيع الإضافي

تعتبر طريقة المعالجة هذه فريدة جدًا مقارنة بطرق المعالجة الأخرى. في هذه التقنية، يتم استخدام البلاستيك عالي الحرارة في شكل خيوط أو مساحيق. يتم استخدام هذا المسحوق لإنتاج الأجزاء طبقة تلو الأخرى. يتم ذلك من خلال تبني تقنيات التصنيع الإضافي. هناك بشكل أساسي تقنيتان للتصنيع الإضافي هما كما يلي.

• نمذجة الترسيب المندمج
• التلبيد بالليزر الانتقائي

هذه العملية ممكنة لإنتاج النماذج الأولية. ومع ذلك، يتم أيضًا إنتاج أجزاء ذات أشكال هندسية معقدة. توفر طريقة المعالجة هذه الحد الأدنى من هدر المواد. هناك العديد من المواد البلاستيكية عالية الحرارة المتوافقة مع طريقة التصنيع الإضافي. تشمل هذه المواد بولي إيثير إيثير كيتون وبولي إيثير إيميد. تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا للغاية في معلمات العملية من أجل تحقيق الدقة الأبعادية والخصائص الميكانيكية المطلوبة. علاوة على ذلك، هناك حاجة إلى معدات خاصة لطريقة المعالجة هذه التي يمكنها التعامل مع المواد البلاستيكية عالية الحرارة.

خاتمة

لقد لامست علوم المواد آفاقًا جديدة وأظهر تقدمًا بفضل المواد البلاستيكية عالية الحرارة. توفر هذه المواد خصائص فريدة ومميزة للغاية بما في ذلك القوة الميكانيكية واستقرار درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة المواد الكيميائية مثل الأحماض والقواعد والمذيبات. مكنت المواد البلاستيكية عالية الحرارة من تصنيع قطع غيار ومنتجات عالية الأداء وقوية وأخف وزناً ومتينة. بعد ذلك، شهدت جميع القطاعات والصناعات البارزة ثورة بما في ذلك الإلكترونيات والسيارات والطب والفضاء الجوي.

لا تتحمل المواد البلاستيكية التقليدية درجات الحرارة المرتفعة وتتعرض للتدهور. ومع ذلك، فإن المواد البلاستيكية ذات درجات الحرارة المرتفعة مناسبة جدًا لتلك التطبيقات لأنها تتمتع بخاصية بارزة لمواجهة درجات الحرارة المرتفعة. علاوة على ذلك، تُظهر المواد البلاستيكية ذات درجات الحرارة المرتفعة مقاومة للتآكل والإجهادات الميكانيكية. توفر هذه المواد عمرًا أطول للمنتجات وقطع الغيار بسبب خصائصها الفريدة مثل مقاومة التعب والحفاظ على الاستقرار البعدي والعزل الكهربائي في ظل ظروف التشغيل القاسية.

درجة حرارة عالية بلاستيك تزداد أهمية المواد الخام يومًا بعد يوم لأن القطاع الصناعي يتطلب أداءً عاليًا للمكونات وقطع الغيار. إن البحث والتطوير المتقدم في مجالات علم المواد وطرق المعالجة يصور أن هذه المواد يمكن استخدامها لمتطلبات أعلى. سيؤدي هذا إلى زيادة الكفاءة والاستدامة جنبًا إلى جنب مع السلامة في العديد من القطاعات.