Оптимизация отжига для аморфных полимеров: практические рекомендации и инсайты

Коррозионно-напряженное трещинообразование (КНТ) остается основным режимом отказа для аморфных полимеров, таких как ABS и PC. Процесс по сути является механическим отказом, ускоренным химическим веществом, которое локально пластифицирует полимер в месте дефекта, приводя к быстрому распространению трещины.

Дефекты могут возникать от включений (например, металлические стружки, угольный нагар), случайных засечек, острых углов, резких изменений толщины стенки или внутренних напряжений, индуцированных быстрым охлаждением при формовке.

Быстрое охлаждение не только индуцирует внутренние напряжения, но и ухудшает кратковременные свойства, такие как вязкость — проблема для полимеров, ценящихся за вязкость. Недавнее исследование (Рисунок 1) показывает, что образцы ABS, отлитые при низких температурах формы, демонстрируют невысокий ударный запас прочности. По мере роста температуры формы ударная стойкость резко возрастает.

РИС. 1 Образцы, отлитые при низких температурах формы, показывают очень низкую энергию разрушения. По мере роста температуры ударная стойкость улучшается драматически.

Даже при высокой температуре формы литые детали охлаждаются со скоростью 150-300 °C/мин (270-540 °F/мин). Такие быстрые температурные изменения неизбежно генерируют внутренние напряжения. В применениях с повышенной температурой, длительным сроком службы, высокими механическими нагрузками или химическим воздействием даже незначительные внутренние напряжения могут запустить КНТ, которое является основной причиной полевых отказов в аморфных пластиках.

Отжиг снижает эти напряжения, позволяя полимеру расслабиться при температурах близких к точке стекловидения (T_g). Оптимальная температура отжига обычно близка к T_g, как определяется дифференциальным сканирующим калориметрием (DSC) или, предпочтительно, динамическим механическим анализом (DMA), который также раскрывает температурный диапазон, где модуль упругости резко падает.

РИС. 2 Температура стекловидения лежит в диапазоне 140-155 °C (284-311 °F), где модуль упругости быстро снижается.

Для поликарбоната рекомендуется температура отжига 121-135 °C (250-275 °F). Этот диапазон лежит чуть ниже резкого падения модуля, минимизируя деформацию и максимизируя снятие напряжений. Точная температура может варьироваться в зависимости от геометрии детали и доступной поддержки, особенно вокруг заторов.

Время отжига зависит от толщины детали. После достижения целевой температуры выдерживать минимум 30 минут, затем добавлять 5 минут на каждый миллиметр толщины стенки (0,040 дюйма). Для деталей превышающих 6 мм (0,250 дюйма) в любом измерении удвоить это время. Недостаточное время выдержки парадоксальным образом может увеличить внутренние напряжения.

Скорость изменения температуры критична. Нагревайте от комнатной температуры до температуры отжига не быстрее 50 °C/ч (90 °F/ч). При охлаждении никогда не превышайте 25 °C/ч (45 °F/ч), пока деталь не достигнет 60-65 °C (140-149 °F); некоторые конструкции могут требовать всего 5 °C/ч (9 °F/ч). Самая частая ошибка — извлекать деталь из печи сразу после заданного времени выдержки, позволяя быстрому охлаждению, которое отменяет выгоды отжига.

Для проверки эффективности отжига проводите тест на растворительно-напряженное трещинообразование. Каждый полимер реагирует на конкретное химическое вещество или смесь, индуцирующую трещины при известном пороге внутреннего напряжения. Для ABS используется смесь этилацетата и этанола; более высокие концентрации ацетата соответствуют более низкому остаточному напряжению. Поликарбонат обычно использует смесь n-пропанола и толуола. Погружая деталь на заданное время, затем промывая и инспекционируя на трещины, выявляют зоны высокого напряжения. Альтернативно, можно использовать один реагент, например пропиленкарбонат, где время погружения напрямую коррелирует с уровнем внутреннего напряжения.

Эффективный протокол отжига значительно поднимет пороговое напряжение, необходимое для инициирования трещин.

Далее мы рассмотрим отжиг полукристалличных полимеров, который служит другой цели и следует иным рекомендациям.

ОБ АВТОРЕ Майк Сепе — опытный независимый консультант по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона. С более чем 40-летним опытом в индустрии пластиков он специализируется на выборе материалов, проектировании для производственности, оптимизации процессов, устранении неисправностей и анализе отказов. Контакт: (928) 203-0408 · mike@thematerialanalyst.com