Het effect van cryogene temperaturen op plastic materialen

Cryogene temperaturen en hoogwaardige kunststoffen

Cryogenics is de studie van de productie en het gedrag van materialen bij zeer lage temperaturen. Een cryogene omgeving vertoont temperaturen onder de -150 °C. Veel moderne industrieën gebruiken cryogene middelen in een breed scala aan toepassingen. Sommige van deze toepassingen omvatten cryogene brandstoffen, hardware voor ruimtevaartuigen en machines voor medische en biowetenschappen. Toepassingen zijn onder meer diepvriezers en magnetische resonantie beeldvorming (MRI), deeltjesversnellers en supergeleidende magneten. Curbell Plastics® publiceerde onlangs een witboek van Dr. Keith Hechtel over het effect van cryogene temperaturen op een aantal veelvoorkomende hoogwaardige kunststoffen. Dit artikel vat kort enkele van de belangrijkste punten van het witboek samen.

Mechanische eigenschappen

Over het algemeen vertonen alle materialen een grotere hardheid en stijfheid bij blootstelling aan cryogene temperaturen. De drukmodulus van PTFE neemt bijvoorbeeld toe van 100 kpsi tot 900 kpsi bij koeling van kamertemperatuur tot 20°K (-424°F). Materialen bij cryogene temperaturen worden echter brozer en hebben een lagere Izod-slagvastheid en trekrek. Trekverlenging beschrijft hoe ver een materiaal zal buigen onder druk voordat het breekt. Kunststoffen zijn al gevoeliger voor breken dan veel metalen. Daarom moeten speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen bij het gebruik van kunststoffen in een ontwerp voor een cryogene omgeving die onderhevig is aan hoge druk of schokken.

Thermische eigenschappen

Het is belangrijk om rekening te houden met de hoge CTE of thermische uitzettingscoëfficiënt van kunststoffen bij het ontwerpen van kunststof componenten voor een cryogene toepassing. In principe hebben kunststoffen de neiging om meer te krimpen dan andere materialen wanneer ze worden gekoeld en meer uit te zetten bij verwarming. Wanneer materialen bijvoorbeeld worden afgekoeld van kamertemperatuur tot bijna 0°K, krimpt PTFE met 2,2%, terwijl aluminium met minder dan 0,5% krimpt. Deze krimp kan echte problemen veroorzaken in toepassingen waar metalen en plastic componenten in nauw contact moeten blijven. Hechtel wijst er ook op dat koolstof- en glasvezels kunnen worden gebruikt om dit krimpprobleem te verminderen.

Wrijving en slijtage

Cryogene bewerking of harding wordt sinds de jaren 60 toegepast om de slijtvastheid van staal te verhogen. Dezelfde basisprincipes zijn ook van toepassing op kunststoffen. Over het algemeen geldt:hoe harder het materiaal, hoe lager de wrijving en slijtage. Hechtel gebruikt het voorbeeld van een sportschoen versus een kledingschoen:de sportschoen heeft een zachtere zool en zorgt voor meer wrijving met de grond. Kunststoffen worden harder naarmate de temperatuur daalt en vertonen daardoor minder wrijving. Kunststoflagers hebben bijvoorbeeld het extra voordeel dat ze ook zonder smering goed bestand zijn tegen slijtage. Deze eigenschap is vooral belangrijk bij cryogene temperaturen. Veel oliën en andere smeermiddelen kunnen bij deze zeer lage temperaturen minder goed presteren.