Материалы:советы по отжигу аморфных полимеров, часть 2

Как мы кратко обсуждали в Части 1 в прошлом месяце, аморфные полимеры подвержены разрушению из-за растрескивания под воздействием окружающей среды (ESC). Мы понимаем этот механизм как механический отказ, который ускоряется присутствием химического вещества, которое локально пластифицирует полимер в области, где образовался небольшой дефект.

Дефект может быть включением, таким как кусок металла или угля, или это может быть выемка, образованная случайным повреждением. Это также может быть связано с конструктивным дефектом, таким как острый угол или быстрое изменение толщины стенки детали, что создает локально повышенный уровень напряжения. Или этому может способствовать повышенный уровень внутреннего напряжения, вызванный условиями формования. Высокие уровни внутреннего напряжения вызваны быстрым охлаждением полимера.

Стратегия обработки, включающая быстрое охлаждение, также может влиять на краткосрочные свойства, в первую очередь на пластичность. Это вызывает беспокойство, поскольку многие аморфные полимеры, такие как АБС и ПК, используются в основном из-за их превосходной вязкости. На рисунке 1 показаны результаты исследования влияния температуры расплава и формы на ударопрочность АБС. Это показывает, что формованные образцы демонстрируют очень низкую энергию разрушения, когда температура формы устанавливается относительно низкой. С повышением температуры пресс-формы резко возрастает ударопрочность.

Рис. 1 Формованные образцы демонстрируют очень низкую энергию разрушения, когда температура формы устанавливается относительно низкой. С повышением температуры пресс-формы резко возрастает ударопрочность.

Но даже при высокой температуре пресс-формы скорость охлаждения полимера в процессе литья под давлением составляет порядка 150-300 ° C / мин (270-540 ° F / мин). При таком быстром изменении температуры неизбежно некоторое внутреннее напряжение. В ситуациях, когда рабочая среда включает некоторую комбинацию повышенной температуры, увеличенного срока службы, нагрузок, которые могут превышать пропорциональный предел, и воздействия определенных химикатов, даже относительно низкие уровни внутреннего напряжения могут привести к преждевременному выходу из строя из-за ESC. Мета-исследования по анализу отказов показали, что ESC является основной причиной отказов в полевых условиях в пластмассовых деталях, и этот вид отказа в первую очередь влияет на аморфные полимеры.

В аморфных полимерах отжиг выполняется для снижения внутренних напряжений до уровня, недостижимого в условиях обычного процесса формования. Есть несколько параметров, которые важны для достижения желаемых результатов. Первым из них является температура процесса отжига. Обычно рекомендуемая температура отжига привязана к температуре стеклования (T _g ) полимера. Это можно легко измерить с помощью аналитических методов, таких как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) или динамический механический анализ (ДМА). DMA имеет преимущество измерения физических свойств полимера, поэтому он предоставляет больше информации о диапазоне температур, который можно использовать для снятия внутренних напряжений в детали.

На рис. 2 представлен график зависимости модуля упругости от температуры для типичного ПК. Т _g происходит в температурной области, где модуль упругости полимера быстро снижается в очень узком температурном диапазоне 140-155 ° C (284-311 F).

Рис. 2 Температура стеклования возникает в температурной области, где модуль упругости полимера быстро снижается в очень узком температурном диапазоне 140-155 ° C (284-311 F).

Рекомендации по температуре отжига для поликарбоната варьируются от 121 ° C (250 ° F) до 135 ° C (275 ° F). Эти температуры близки к T _g но оставаться ниже начала быстрого снижения модуля, чтобы предотвратить деформацию деталей. Цель состоит в том, чтобы использовать температуру, максимально приближенную к этой температуре, без искажения детали или чрезмерного изменения размеров. Это будет в некоторой степени зависеть от геометрии детали и уровня поддержки, которая может быть оказана для областей, которые, как правило, наиболее подвержены искажениям, например областей вокруг ворот.

Второй важный параметр - время отжига. Это будет зависеть от толщины детали. Пластмассы являются относительно плохими проводниками тепла, и деталь должна иметь одинаковую температуру повсюду. Типичные рекомендации:минимум 30 минут после того, как детали достигли желаемой температуры, плюс 5 минут / мм (0,040 дюйма) толщины стенки. Для деталей с сечением более 6 мм (0,250 дюйма) наилучшие результаты достигаются при удвоении этого времени. Отсутствие достаточного времени для достижения и поддержания однородной температуры в течение соответствующего времени может фактически привести к увеличению уровня внутреннего напряжения.

Возможно, наиболее важным условием, связанным с отжигом, является скорость изменения температуры, особенно скорость изменения, которая происходит во время процесса охлаждения. В идеале детали следует нагревать от комнатной температуры до температуры отжига со скоростью не более 50 ° C / час (90 ° F / час). Но наибольшее влияние на результат оказывает этап охлаждения в процессе отжига. Здесь опять же, конкретные рекомендации различаются.

Однако хорошим ориентиром является скорость охлаждения не выше 25 ° C / час (45 ° F / час), пока детали не достигнут температуры 60-65 ° C (140–149 ° F). Некоторым деталям может потребоваться охлаждение со скоростью 5 ° C / час (9 ° F / час). Самая распространенная ошибка, приводящая к неудовлетворительному результату отжига, - слишком быстрое охлаждение. Часто детали вынимают из печи по истечении предписанного времени отжига. Детали быстро охлаждаются от температуры отжига до комнатной температуры, сводя на нет всю работу, которая была проделана в процессе отжига.

Окончательным тестом эффективности процесса отжига является оценка трещин под напряжением с использованием растворителя. Для каждого полимера существует химикат или смесь химикатов, которые воздействуют на определенный порог внутреннего напряжения. Часто в этом подходе используется смесь двух веществ. Один действует как инертный ингредиент, а другой - как активный ингредиент, способствующий растрескиванию под напряжением. Изменяя соотношение этих двух компонентов в смеси, можно отрегулировать целевое пороговое напряжение, чтобы можно было точно измерить напряжение в детали.

ABS, например, использует смесь ацетата, такого как этилацетат, и спирта, такого как этанол. Более высокие концентрации ацетата, необходимые для возникновения растрескивания под напряжением, коррелируют с более низкими внутренними напряжениями в детали. Такой же подход используется и в поликарбонате. Однако с поликарбонатом смесь представляет собой смесь н-пропанола и толуола. Детали погружаются в смесь на заданное время, удаляются и промываются, а затем оцениваются на предмет растрескивания. Расположение любого наблюдаемого растрескивания помогает определить области детали, которые подвержены образованию повышенных уровней напряжения.

В альтернативном подходе используется один реагент, а время погружения, необходимое для образования трещин под напряжением, связано с внутренним напряжением в детали. Например, поликарбонат можно протестировать с использованием пропиленкарбоната. Уровень внутреннего напряжения в детали является функцией времени, в течение которого деталь была погружена в жидкость. При использовании любого метода эффективный процесс отжига приведет к заметному снижению измеренного порогового напряжения.

Отжиг полукристаллических полимеров происходит совсем по другой причине. В нашем следующем сегменте мы обсудим этот процесс и рекомендации по получению максимальной отдачи от отжига этого класса полимеров.

ОБ АВТОРЕ Майке 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].