Материалы, часть 1:что отжиг может сделать для вашего процесса

Задолго до появления пластмасс существовал процесс отжига. Металлургическая промышленность, а точнее сталелитейная промышленность, давно знала, что проведение последующего процесса, при котором материалы подвергаются контролируемому нагреву и охлаждению, снижает твердость материала, увеличивает пластичность и снижает внутренние напряжения. Также изменилась микроструктура материала. Другие металлические материалы, такие как медь и латунь, также могут принести пользу.

Отжиг может снять напряжение в аморфных материалах и повысить кристалличность полукристаллических смол. (Фото:печь для отжига от Grieve Corp.)

Отжиг пластмасс не является частью большинства производственных процессов. Бывают исключения. Продукты значительной толщины, такие как сплошной стержень, толстостенные трубы и листы, часто подвергаются отжигу в качестве подготовительного этапа к механической обработке. Это делается для стабилизации структуры материала и уменьшения внутреннего напряжения, во многом по тем же причинам, по которым этот процесс проводится с металлическими материалами. Во всех изделиях, изготовленных путем обработки из расплава, относительно быстрые скорости охлаждения, связанные с этими процессами, вызывают некоторый уровень внутреннего напряжения и отклонение от состояния равновесия. В случаях, когда это создает уровень внутреннего напряжения, который создает функциональные проблемы при использовании, может быть проведен отжиг, чтобы снизить напряжение до уровней, которые могут быть недостижимы во время обработки.

Обоснование отжига и влияние, которое он оказывает на материал, будут во многом зависеть от отжигаемого полимера. В аморфных полимерах цель состоит в том, чтобы уменьшить внутреннее напряжение. Детали, которые производятся в хорошо контролируемом процессе, в котором уделяется должное внимание важности скорости охлаждения, могут содержать внутренние напряжения ниже 1000 фунтов на квадратный дюйм. Но детали, которые быстро охлаждаются, могут испытывать внутренние напряжения в два-три раза выше. Чем выше внутреннее напряжение, тем менее способным будет продукт выдерживать внешние нагрузки без сбоев. Кроме того, отказы в деталях, которые содержат высокий уровень внутреннего напряжения, с большей вероятностью будут хрупкими.

Даже если приложение не предполагает повышенного уровня внешнего напряжения, высокие внутренние напряжения могут повысить восприимчивость к растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESC). Аморфные полимеры особенно склонны проявлять ESC, если они подвергаются воздействию определенных химических агентов. Эти химические агенты могут присутствовать в качестве растворителей, пластификаторов, чистящих средств, средств защиты от ржавчины и клея, а продолжительный контакт аморфного полимера с этими жидкостями может привести к отказу ESC. В таких средах отжиг может быть разницей между успехом и неудачей.

В полукристаллических полимерах цель отжига принципиально иная. Полукристаллические полимеры используются из-за механических и термических свойств, обусловленных их кристалличностью. Степень кристалличности определяет такие свойства, как прочность, модуль, сохранение механических свойств выше температуры стеклования, химическая стойкость, сопротивление усталости и ползучести, а также трибологические свойства. Так же, как внутренние напряжения в аморфных полимерах сводятся к минимуму за счет более медленных скоростей охлаждения, кристалличность полукристаллического полимера максимизируется за счет снижения скорости охлаждения материала.

Но даже в лучших условиях скорости охлаждения, связанные с обработкой расплава, приводят к тому, что деталь обладает приблизительно 90% достижимой кристалличности. В большинстве случаев этого достаточно. Но в тех случаях, когда это не так, выполняется отжиг, чтобы обеспечить эти дополнительные 10%.

Возможность образования кристаллов возникает в температурном окне ниже точки плавления полимера и выше его температуры стеклования (T _g ). Следовательно, температура отжига должна быть выше T _g для достижения желаемого результата. Оптимальные скорости кристаллизации обычно достигаются около средней точки между точкой плавления и T _g . Например, нейлон 66 с T _g с температурой 60 C (140 F) и температурой плавления 260 C (500 F), отжиг наиболее эффективен при температуре около 160 C (320 F).

В сшитых материалах процесс отжига выполняется по причинам, аналогичным причинам, которые определяют полукристаллические термопласты. Так же, как в процессах формования изо всех сил пытаются достичь максимально возможного уровня кристаллизации, они также обычно не позволяют достичь оптимального уровня сшивки. Хотя это может быть достигнуто за счет увеличения времени цикла, экономика часто не одобряет такой подход, и более эффективно повторно нагревать большое количество деталей после формования. В термореактивной промышленности это обычно называют последующим обжигом, и это чаще всего выполняется с такими полимерами, как фенольные смолы и полиимиды.

Однако многие практикующие специалисты в этой отрасли также обнаружили преимущества при выполнении этой операции с ненасыщенными сложными полиэфирами, эпоксидными смолами и силиконами. Чтобы в процессе после обжига эффективно повышалась плотность сшивки материала, температура процесса обжига должна превышать T _g полимера в отформованной детали. Как мы увидим в следующей статье, есть некоторые термопласты, которые также требуют дополнительного обжига для достижения оптимальных свойств.

Некоторые эластомеры также получают выгоду после процесса обжига или отжига. Как и в случае с полукристаллическими термопластами и жесткими сшитыми полимерами, целью является не снижение внутреннего напряжения, а структурная перестройка, которая улучшает механические и термические характеристики. Этот процесс может быть использован в термопластических эластомерах, таких как полиуретаны, и также было показано, что он улучшает характеристики в сшитых системах, таких как силиконовый каучук. Этот процесс особенно полезен для обеспечения оптимальной производительности в приложениях, где требуется длительное воздействие повышенных температур.

Для достижения желаемого результата этими процессами критически важны конкретные условия отжига или температура и время после обжига. Не менее важным в некоторых из этих случаев является скорость охлаждения после завершения процесса нагрева. Неспособность управлять этим процессом охлаждения часто является причиной того, что отжиг не приводит к желаемому результату. Это параметр, на который часто не обращают внимания.

В следующих статьях этой серии мы обсудим различные требования, относящиеся к аморфным термопластам, полукристаллическим термопластам, сшитым материалам и эластомерам. Мы также обсудим пределы этого процесса, чтобы добиться положительных результатов без непредвиденных негативных последствий.

ОБ АВТОРЕ: Майк Сепе - независимый глобальный консультант по материалам и обработке, чья компания Michael P. Sepe, LLC базируется в Седоне, штат Аризона. Он имеет более чем 40-летний опыт работы в индустрии пластмасс и помогает клиентам в выборе материалов, проектировании с учетом технологичности и технологических процессов. оптимизация, устранение неполадок и анализ отказов. Контакты:(928) 203-0408 • [email protected].