Материалы части 3:советы по отжигу полукристаллических полимеров

Отжиг аморфных полимеров обычно выполняется для уменьшения внутреннего напряжения в детали ниже уровней, достигаемых в процессе формования. Однако в полукристаллических полимерах цель отжига состоит в том, чтобы установить уровень кристалличности, который практически невозможно получить в рамках параметров обычного цикла формования.

Каждый полукристаллический полимер имеет способность кристаллизоваться до определенной степени, которая зависит от химической структуры полимерной цепи. HDPE имеет гибкую, обтекаемую цепочку, которая обеспечивает эффективную кристаллизацию до очень высокого процента, в то время как такой материал, как PEEK, достигает умеренного уровня кристалличности даже при наиболее тщательно контролируемых условиях процесса.

Оптимальные уровни кристалличности улучшают широкий спектр свойств, включая прочность, модуль, сопротивление ползучести и усталости, а также стабильность размеров. Это последнее свойство очень важно в приложениях, где необходимо соблюдать очень жесткие допуски в деталях, которые будут использоваться при повышенных температурах. Кристаллизация контролируется скоростью охлаждения и происходит с большой скоростью в процессе изготовления. Для достижения оптимального уровня кристаллизации температура формы должна поддерживаться выше температуры стеклования полимера. Это повышает уровень молекулярной подвижности, позволяющий формировать кристаллы.

Кристаллизация может происходить только в температурном окне ниже точки плавления кристалла и выше температуры стеклования (T _g ). Рассмотрим для примера PPS. Температура плавления PPS составляет 280 ° C (536 F), а T _g составляет приблизительно 130 ° C (266 F) при определении на основе конкретных динамических механических свойств. Поэтому рекомендуемая температура формы для обеспечения правильной кристаллизации составляет минимум 135 C (275 F). Производители, которые обращают внимание на это требование, обычно выбирают температуру пресс-формы 135–150 ° C (275–302 F). Но даже когда этот параметр контролируется должным образом, относительно быстрая скорость охлаждения, связанная с обработкой расплава, и ограниченное время, которое деталь проводит в форме, ограничивают достижение кристаллической структуры примерно до 90% от того, что можно получить теоретически.

Мы знаем, что скорость кристаллизации непостоянна во всем диапазоне температур от T _g и Т _м (Температура плавления. Во многих полимерах кристаллы наиболее быстро образуются при температуре примерно на полпути между этими двумя крайними значениями. Поэтому для достижения наиболее эффективной скорости кристаллизации в PPS мы будем использовать температуру формы 205 C (401 F). Это является более сложной температурой формы для поддержания, и разница в механических свойствах между деталью, изготовленной при этой более высокой температуре формы, и деталью, произведенной при более низкой температуре формы, относительно невелика.Поэтому типичной практикой является использование более низкой температуры формы. / P>

Однако, если формованная деталь должна будет работать при 200 ° C, воздействие этой температуры нанесения приведет к дополнительной кристаллизации во время использования продукта. Мы знаем, что когда материалы кристаллизуются, они сжимаются. Таким образом, деталь, которая попадает в поле, отформованная до нужных размеров, а затем подвергается воздействию очень высоких температур, может изменить размер во время использования. Если это изменение размеров создает функциональную проблему для продукта, необходимо стабилизировать размеры детали до того, как она будет введена в эксплуатацию. Это делается путем отжига.

Целевая температура отжига часто является средней точкой между T _g и Т _м . Более низкие температуры потребуют более длительного времени отжига. (Фото:печь для отжига от Grieve Corp.)

В аморфных полимерах температура отжига должна приближаться к T _g полимера. Однако для получения желаемого результата при отжиге полукристаллического материала температура отжига должна превышать T _g полимера. Требуемое время будет зависеть от толщины стенки детали, как в случае аморфных полимеров. Но другим фактором, влияющим на требуемое время, будет температура отжига.

Как упоминалось выше, целевая температура отжига часто является средней точкой между T _g и Т _м . Более низкие температуры потребуют более длительного времени отжига. Еще одним определяющим фактором при выборе температуры отжига является максимальная температура, при которой деталь будет подвергаться воздействию. Если деталь отжигают при 200 ° C, а затем используют при 225 ° C, при более высокой температуре использования образуются новые кристаллы, которые не образовывались в процессе отжига. Это приведет к дополнительным изменениям размеров, которые могут быть проблематичными. Следовательно, температура отжига должна быть равна или немного выше максимальной температуры, при которой деталь будет использоваться. Так же, как аморфные полимеры не могут выдерживать температуры отжига выше их T _g , полукристаллические полимеры нельзя отжигать при температурах, превышающих их температуру плавления кристаллов.

Время отжига лучше всего установить экспериментально для конкретной геометрии детали. В аморфных полимерах испытание, используемое для подтверждения того, что цель отжига достигнута, представляет собой испытание растворителем, которое измеряет остаточное напряжение в детали. В полукристаллических смолах эталоном является стабильность размеров. Правильно отожженная деталь, отформованная из полукристаллического материала, должна выдерживать воздействие режима время-температура, характерного для наихудших условий эксплуатации, без дополнительных изменений размеров.

Хороший пример этого принципа можно проиллюстрировать для деталей, предназначенных для воздействия температуры 85 C (185 F) на период до 8 часов. Сборка, изготовленная из двух составных частей, каждая из которых была отожжена при 70 ° C (158 F) в течение 1 часа, показала изменения размеров под воздействием условий нанесения. Эти изменения привели к слипанию деталей во время работы сборки, что сделало ее нефункциональной. Отжиг при 110 ° C в течение того же 1-часового периода привел к тому, что сборки не изменили свою функцию после воздействия среды приложения.

Есть еще одна причина для выбора температуры отжига, превышающей максимальную ожидаемую температуру использования. Кристаллы, которые образуются, когда материал находится в твердом состоянии, не такие большие или идеальные, как те, которые образуются при охлаждении материала из расплава. Следовательно, они не обладают одинаковыми свойствами и не придают одинаковых преимуществ общей структуре материала. В частности, кристаллы, которые образуются при определенной температуре отжига, будут плавиться при температуре всего на несколько градусов выше температуры, при которой они были получены. Следовательно, кристаллы, которые производятся при температуре ниже максимальной температуры использования детали, не выдерживают такого воздействия и бесполезны.

Поскольку дополнительная усадка во время отжига полукристаллического материала неизбежна, размеры отформованной детали должны быть больше конечных заданных размеров. Для этого может потребоваться, чтобы детали были отлиты из печати, чтобы они соответствовали отпечатку после того, как они прошли процесс отжига. Поэтому важно установить взаимосвязь между размерами после формования и размерами после отжига.

Температуры отжига для многих полукристаллических полимеров достаточно высоки, чтобы оказывать на полимер другие потенциально опасные воздействия. Например, середина между T _g и Т _м из нейлона 66 составляет 160 ° C (320 ° F). При этой температуре нейлон может быстро окисляться. Это может вызвать изменение цвета материала, но, что более важно, это может привести к необратимой потере механических свойств, особенно связанных с пластичностью. Следовательно, для таких материалов, как нейлон, отжиг лучше всего проводить в инертной атмосфере, в вакууме или в жидкости, которая действует как кислородный барьер и не изменяет свойства материала. Например, детали из нейлона можно отжигать в горячем минеральном масле для предотвращения окисления и улучшения теплопередачи. Поскольку минеральное масло неполярное, нейлон не впитывает масло, и эффекты пластификации не наблюдаются.

Отжиг полукристаллических материалов идеально проводится для улучшения структуры детали, которая уже была отформована в соответствии с оптимальными процедурами. Однако некоторые переработчики используют стратегию отжига, чтобы избежать требований высоких температур пресс-формы, необходимых для правильной кристаллизации высокопроизводительных материалов, таких как PPS, PEEK и PPA. Это может привести к серьезным сбоям в работе детали и значительным трудностям с управлением технологическим процессом. В следующей статье мы рассмотрим эти проблемы более подробно.

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].