पॉलीकार्बोनेट गलनांक: ऊष्मा प्रतिरोध सीमाएँ

पॉलीकार्बोनेट के तापीय व्यवहार को समझना: गलन सीमा, Tg और अपघटन सीमाएँ

पॉलीकार्बोनेट में तीखा गलनांक क्यों नहीं होता है, क्योंकि इसकी अक्रिस्टलीय संरचना होती है

पॉलीकार्बोनेट, या पीसी जैसा कि इसे आमतौर पर उद्योग में कहा जाता है, अविन्यासित बहुलकों की श्रेणी में आता है, जहाँ अणु स्फटिकीय पदार्थों की तरह साफ-सुथरे ढंग से व्यवस्थित होने के बजाय बस इधर-उधर तैरते रहते हैं। इस अनियमित व्यवस्था के कारण, गर्म करने पर पीसी के ठोस से तरल में बदलने का कोई स्पष्ट बिंदु नहीं होता। अचानक पिघलने के बजाय, तापमान बढ़ने के साथ यह धीरे-धीरे नरम होना शुरू हो जाता है। आगे जो होता है वह काफी दिलचस्प है—सामग्री पहले एक रबर जैसी अवस्था से गुजरती है और फिर अंततः उत्पादन प्रक्रियाओं के लिए पर्याप्त रूप से कार्ययोग्य बन जाती है। जो लोग नियमित रूप से पीसी के साथ काम करते हैं, उनके लिए सटीक रूप से ऊष्मा को नियंत्रित करना बिल्कुल आवश्यक होता है। अगर इसे बहुत अधिक गर्म कर दिया जाए तो सामग्री टूट जाती है, लेकिन अगर बहुत कम तापमान पर रखा जाए तो मोल्डिंग ठीक से नहीं होती। उचित तापमान सीमा खोजने के लिए अनुभव और उपकरणों के सही कैलिब्रेशन की आवश्यकता होती है।

गलन तापमान सीमा (295°C–315°C) को कांच संक्रमण तापमान (Tg ~ 145–150°C) से अलग करना

ग्लास ट्रांजिशन तापमान, या Tg, आम पॉलीकार्बोनेट के लिए आमतौर पर 145 से 150 डिग्री सेल्सियस के आसपास होता है, जब अणुओं की गति में काफी वृद्धि होने लगती है। जब सामग्री इस तापमान तक पहुँचती है, तो वे कठोर और भड़कीली अवस्था से नरम, लगभग चमड़े या रबर जैसी अवस्था में बदल जाती है, और अपनी मूल कठोरता का लगभग 80 प्रतिशत खो देती है। यहाँ एक महत्वपूर्ण बात: यह वास्तव में पिघलना नहीं है, बस एक महत्वपूर्ण बिंदु है जहाँ भार डालने पर चीजें अस्थिर हो जाती हैं। वास्तविक पिघलन बाद में 295 से 315 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है, जहाँ पॉलीकार्बोनेट एक्सट्रूडिंग या इंजेक्शन मोल्डिंग जैसी प्रक्रियाओं के लिए कार्ययोग्य अवस्था में बदल जाता है। इन दो तापमानों को भ्रमित करने से डिजाइन में समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं। यदि भाग Tg सीमा के बहुत करीब काम कर रहे हों, तो उच्च पिघलन तापमान तक पहुँचने से पहले ही वे मुड़ या विकृत हो सकते हैं। गर्मी के कारण सामग्री के विघटन को रोकने के लिए प्रसंस्करण तापमान को 315 डिग्री सेल्सियस से कम रखना महत्वपूर्ण है।

तापीय अपक्षय की शुरुआत और प्रसंस्करण सुरक्षा तथा सामग्री अखंडता के लिए इसके निहितार्थ

पॉलीकार्बोनेट लगभग 350 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर गर्म करने पर टूटने लगता है। इस बिंदु पर, अणु टूटकर बिस्फीनॉल ए और कार्बन मोनोऑक्साइड जैसे हानिकारक पदार्थ छोड़ने लगते हैं। इस सामग्री के साथ काम करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए, गलन तापमान को 340C से कम रखना वास्तव में महत्वपूर्ण है। कुछ विशेषज्ञ एक्सट्रूज़न या मोल्डिंग प्रक्रियाओं जैसी चीजों को करते समय 320C से नीचे रहने की भी सिफारिश करते हैं। इन सुरक्षित सीमाओं से आगे बढ़ जाने पर समस्याएं तेजी से होती हैं। नमी इसे और भी बदतर बना देती है। इसके बाद क्या होता है? बहुलक श्रृंखलाएं जिसे हाइड्रोलाइटिक श्रृंखला विदलन कहा जाता है, उसके माध्यम से काट दी जाती हैं। सामग्री में पीलापन आ जाता है, कार्बोनिल समूह विकसित होते हैं, और उनकी प्रभाव शक्ति लगभग आधी हो जाती है, जो 40% से 60% के बीच कहीं होती है। एक बार ये परिवर्तन हो जाने के बाद, इन्हें उलटा नहीं किया जा सकता और यह निश्चित रूप से इस बात को प्रभावित करेगा कि समय के साथ उत्पाद कितनी अच्छी तरह से काम करता है। इसीलिए उचित राल सुखाने का इतना महत्व है। प्रसंस्करण के दौरान बैरल के तापमान को नियंत्रित करने से आणविक भार और उन सभी महत्वपूर्ण यांत्रिक गुणों को बनाए रखने में मदद मिलती है जिन पर हम भरोसा करते हैं।

ताप प्रतिरोध सीमाएं: टिकाऊपन के लिए सुरक्षित संचालन तापमान को परिभाषित करना

पॉलीकार्बोनेट 120–130°C के भीतर लगातार संचालित होने पर इष्टतम टिकाऊपन बनाए रखता है। इस सीमा से आगे, तापीय बुढ़ापा तेज हो जाता है, जिससे यांत्रिक प्रदर्शन में महसूस करने योग्य गिरावट आती है। उदाहरण के लिए, 100 घंटे तक 135°C के संपर्क में रहने से तन्य ताकत में 40% तक की कमी आ सकती है (सामग्री प्रदर्शन सूचकांक 2023)। तीन प्रमुख मापदंड सुरक्षित तापीय संचालन को नियंत्रित करते हैं:

लगभग 145 डिग्री सेल्सियस पर कांच संक्रमण तापमान बहुलकों के लिए एक वास्तविक सीमा बिंदु को चिह्नित करता है। एक बार इस दहलीज से आगे बढ़ने के बाद, लंबी आण्विक श्रृंखलाएं अपने आप घूमने लगती हैं, जिससे स्थायी आकृति में परिवर्तन आता है जिसे वापस नहीं लाया जा सकता। अल्प अवधि के लिए तापमान के 130C से ऊपर चढ़ने पर आमतौर पर ज्यादा नुकसान नहीं होता है, लेकिन यदि तापमान Tg के पास या उस पर लंबे समय तक बना रहता है, तो सामग्री ढीली पड़ने लगती है और अपने कार्यात्मक गुण खोने लगती है। बशर्ते हम परिस्थितियों को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रखें, तो पॉलीकार्बोनेट अपनी टक्कर के खिलाफ अधिकांश मूल शक्ति बरकरार रखता है। परीक्षणों से पता चलता है कि यह अपनी प्रारंभिक कठोरता के लगभग 9 में से 10 भाग बरकरार रखता है, जो यह समझाता है कि कठिन परिस्थितियों के तहत भी कई औद्योगिक अनुप्रयोग वर्षों तक इस सामग्री पर क्यों निर्भर रहते हैं।

भार और समय के तहत प्रदर्शन: HDT, निरंतर उपयोग और तापीय उतार-चढ़ाव

1.8 MPa और 0.45 MPa पर ताप विकृति तापमान (HDT): संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक प्रभाव

ऊष्मा विकृति तापमान, या संक्षेप में HDT, यह बताता है कि उच्च तापमान पर भार डालने पर एक सामग्री अपने आकार को कितनी अच्छी तरह बनाए रख सकती है। जब हम विशेष रूप से पॉलीकार्बोनेट सामग्री की बात करते हैं, तो हम देखते हैं कि उनका HDT उस दबाव के प्रकार पर निर्भर करते हुए काफी बदल जाता है। लगभग 0.45 MPa के हल्के तनाव के तहत, HDT लगभग 145 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच जाता है, जो कांच संक्रमण तापमान (Tg) के काफी करीब है। लेकिन जब दबाव बढ़कर 1.8 MPa हो जाता है, तो HDT घटकर लगभग 132°C रह जाता है। यह 13°C का अंतर उन डिजाइनरों के लिए बहुत महत्वपूर्ण होता है जो कार माउंटिंग ब्रैकेट या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के आवास जैसे भागों पर काम करते हैं। ऐसे घटकों का मूल्यांकन 1.8 MPa के उच्च तनाव रेटिंग के आधार पर किया जाना चाहिए, न कि निम्न रेटिंग के आधार पर। यदि कोई चीज इस सीमा से आगे काम करती है, तो वह आकार से विस्थापित होने लग सकती है, आयामी रूप से अस्थिर हो सकती है, या बदतर स्थिति में, पूरी तरह विफल हो सकती है, भले ही तापमान तकनीकी रूप से Tg के निशान से अधिक न हो। अच्छे इंजीनियर हमेशा यह सुनिश्चित करने के लिए HDT विनिर्देशों की तुलना उस वास्तविक स्थिति से करते हैं जिसका भाग सामान्य संचालन के दौरान सामना करेगा, ताकि समय के साथ सब कुछ ठीक रहे।

लगातार उपयोग की सीमा (अधिकतम 130°C) बनाम अल्पकालिक उतार-चढ़ाव – कार्यक्षमता और दीर्घकालिक स्थायित्व के बीच संतुलन

पॉलीकार्बोनेट सामग्री आमतौर पर लगभग 130 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर निरंतर संचालन को सहन करती है। लगभग 150 डिग्री तक के अल्पकालिक तापमान वृद्धि के लिए भी यह उपयुक्त है, विशेष रूप से जब इसका उपयोग चिकित्सा निर्जलीकरण उपकरणों या अल्पकालिक रूप से गर्म होने वाले इंजनों जैसी चीजों में किया जाता है। लेकिन ध्यान रखें कि जब इस सामग्री को बार-बार अत्यधिक गर्म किया जाता है या लंबे समय तक अत्यधिक तापमान पर रखा जाता है, तो क्या होता है। सामग्री एक प्रक्रिया के माध्यम से विघटित होने लगती है जिसे जल अपघटन (हाइड्रोलिसिस) कहा जाता है, जो 135 डिग्री से ऊपर बिताए गए प्रत्येक 100 घंटे में इसके आण्विक भार को लगभग 15 प्रतिशत तक कम कर देता है, जैसा कि पॉलिमर डीग्रेडेशन स्टडीज 2023 के अनुसंधान में बताया गया है। इसका व्यावहारिक अर्थ क्या है? खैर, समय के साथ प्लास्टिक भंगुर हो जाता है और यदि इसके जीवनकाल में इस तापमान चरम स्थिति का पांच बार से अधिक अनुभव होता है, तो केवल कुछ ही महीनों में यह झटकों को सहन करने की अपनी क्षमता का लगभग 30 से 40% तक खो देता है। पॉलीकार्बोनेट के साथ उत्पादों को डिजाइन करने वालों के लिए, प्रदर्शन और टिकाऊपन दोनों के लिए 130 डिग्री के उस जादुई अंक से नीचे संचालन बनाए रखना उचित होता है। और जब 140 डिग्री के करीब काम कर रहे हों, तो इस तरह के धीमे विघटन को रोकने के लिए हीट सिंक का उपयोग करना या घटकों के ऊपर हवा फेंकना जैसे उचित शीतलन विधियों को लागू करना बिल्कुल आवश्यक हो जाता है।

दीर्घकालिक स्थायित्व पर तापीय बुढ़ापे के प्रभाव

100°C से अधिक तापमान पर तन्य शक्ति और आघात प्रतिरोध की क्रमिक हानि

पॉलीकार्बोनेट 100 डिग्री सेल्सियस से थोड़ा ऊपर के तापमान के संपर्क में आने पर ही थर्मल एजिंग के लक्षण दिखाना शुरू कर देता है। इन स्थितियों में लंबे समय तक रहने पर, हाइड्रोलिसिस और ऑक्सीकरण जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से पदार्थ का विघटन हो जाता है। लंबे समय तक उपयोग करने के बाद इस विघटन से तन्य ताकत लगभग 40 प्रतिशत तक कम हो सकती है और प्रभाव प्रतिरोधकता आधे से भी अधिक कम हो सकती है। लगभग 110 डिग्री पर, लगभग 1,000 घंटे के संचालन के बाद पदार्थ स्पष्ट रूप से भंगुर हो जाता है, जिससे भार सहन करने वाले घटकों में दबाव के तहत दरार आने की संभावना बहुत अधिक बढ़ जाती है। यह समस्या कारों और विद्युत उपकरणों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है, जहाँ समय के साथ लगातार ऊष्मा उत्पन्न होती रहती है। उत्पाद डिज़ाइन पर काम कर रहे इंजीनियरों को यह ध्यान में रखना चाहिए कि इस प्रकार की धीमी गति से होने वाली कमजोरी को यह निर्धारित करते समय ध्यान में रखा जाए कि कोई चीज़ कितने समय तक चलनी चाहिए। सामान्य संचालन के दौरान तापमान को निश्चित सीमाओं से नीचे रखने से पदार्थ की ताकत के गुणों को उसके निर्धारित जीवनकाल तक बनाए रखने में मदद मिलती है।

दृश्य और सूक्ष्मसंरचना संकेतक: पीलापन, धुंधलापन और सतह के सूक्ष्म दरारों को स्थायित्व की चेतावनी के रूप में

पॉलीकार्बोनेट में तापीय अपक्षय के बढ़ने के तीन दृश्य संकेत हैं:

• पीला पड़ना : क्रोमोफोर्स के निर्माण वाली ऑक्सीडेटिव प्रतिक्रियाओं के कारण होता है, जिसकी गंभीरता संचित ऊष्मा और पराबैंगनी (UV) त्वचा के साथ बढ़ जाती है
• हेज : श्रृंखला के अनकोइलिंग के कारण सतह के सूक्ष्म-असमतलीकरण से उत्पन्न होता है, जो पारदर्शिता को कम करता है और सामग्री के गुणों में गिरावट का संकेत देता है
• सूक्ष्म दरार : तनाव संकेंद्रण बिंदुओं पर विकसित होती है, जिसमें 0.5µm से कम की दरारें आकस्मिक भंग के पूर्ववर्ती के रूप में कार्य करती हैं

अधिकांशतः हम उपकरणों को लगातार 100 डिग्री सेल्सियस पर चलाने के लगभग 6 से 12 महीने बाद इन परिवर्तनों को देखना शुरू करते हैं। सामग्री में सूक्ष्म दरारें बन जाती हैं जो बड़ी दरारों के फैलने के लिए प्रारंभिक बिंदु के रूप में कार्य करती हैं, जिससे अंततः घटक का टूटना होता है। इन छोटे संकेतों पर नज़र रखने से रखरखाव दल समस्याओं को शुरुआत में पकड़ सकते हैं और उनके पूरी तरह खराब होने से पहले भागों को बदल सकते हैं। जब तापमान नियमित रूप से सुरक्षित माने जाने वाले स्तर से ऊपर चला जाता है, तो चीजें बहुत तेजी से घिसने लगती हैं। इसीलिए किसी भी प्रणाली के लिए जो सेवा में कई वर्षों तक चलने के लिए डिज़ाइन की गई हो, उचित ताप नियंत्रण इतना महत्वपूर्ण बना हुआ है।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

पॉलीकार्बोनेट के लिए ग्लास ट्रांजिशन तापमान (Tg) क्या है?

पॉलीकार्बोनेट के लिए ग्लास ट्रांजिशन तापमान आमतौर पर 145 से 150 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है। इस तापमान पर, पॉलीकार्बोनेट एक कठोर और दृढ़ अवस्था से एक अधिक लचीली और लचीली अवस्था में बदल जाता है।

पॉलीकार्बोनेट किस तापमान पर अपघटित होना शुरू हो जाता है?

350 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर पॉलीकार्बोनेट का तापीय अपघटन शुरू हो जाता है। अपघटन से बचने के लिए 340 डिग्री से नीचे प्रसंस्करण तापमान बनाए रखने की सिफारिश की जाती है।

पॉलीकार्बोनेट के सुरक्षित संचालन तापमान से अधिक जाने के क्या परिणाम होते हैं?

पॉलीकार्बोनेट के सुरक्षित संचालन तापमान से अधिक जाना, विशेष रूप से लंबे समय तक 130°C से अधिक, तापीय बुढ़ापा उत्पन्न कर सकता है जिससे इसकी तन्य शक्ति, प्रभाव प्रतिरोध कम हो जाता है, और सामग्री भंगुर हो जाती है।

मैं कैसे पहचानूं कि क्या पॉलीकार्बोनेट ने तापीय अपघटन झेला है?

पॉलीकार्बोनेट में तापीय अपघटन के संकेतों में पीलापन, धुंधलापन और सतह पर सूक्ष्म दरारें शामिल हैं, जो ऑप्टिकल स्पष्टता और यांत्रिक शक्ति दोनों को कम कर सकती हैं।