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材料:非晶态聚合物的退火技巧,第2部分

在无定形聚合物中,进行退火以将内部应力降低到正常模塑工艺条件下无法达到的水平。但 一些参数对于获得所需结果很重要。  

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正如我们在上个月的第1部分中简要讨论的那样,无定形聚合物容易受到环境应力开裂(ESC)的破坏。我们了解到,该机制本质上是一种机械故障,由于存在一种化学缺陷,而该化学缺陷会在已产生小缺陷的区域局部塑化聚合物,从而加速了机械故障。

缺陷可以是诸如金属或碳炭之类的夹杂物,也可以是偶然损坏造成的缺口。这也可能是由于设计缺陷,例如尖锐的拐角或零件壁厚的快速变化而造成局部升高的应力水平。或者可以通过模制条件引起的内部应力升高来促进它。高水平的内应力是由聚合物的快速冷却引起的。

涉及快速冷却的加工策略也会影响短期性能,尤其是延展性。由于许多非晶态聚合物,例如ABS和PC,由于其优异的韧性而在很大程度上被使用,因此这是一个令人担忧的问题。图1显示了熔体和模具温度对ABS耐冲击性影响的研究结果。这表明,当模具温度设置得较低时,模制样品表现出非常低的断裂能。随着模具温度的升高,耐冲击性急剧提高。

非晶态聚合物的退火技巧

FIG 1 当模具温度设置得较低时,模制样品表现出非常低的断裂能。随着模具温度的升高,耐冲击性急剧提高。 

但是,即使模具温度很高,在注射成型过程中聚合物的冷却速度仍约为150-300° C /分钟 (270-540° F / min)。随着温度的快速变化,一定程度的内应力是不可避免的。在应用环境涉及高温,延长寿命,应力可能超过比例极限以及暴露于某些化学物质的某种组合的情况下,即使相对较低的内部应力水平也可能由于ESC而导致过早失效。失效分析的荟萃研究表明,ESC是塑料零件现场失效的主要原因,这种失效模式主要影响非晶态聚合物。

在无定形聚合物中,进行退火以将内部应力降低到正常模塑工艺条件下无法达到的水平。有一些参数对于实现所需结果很重要。首先是退火过程的温度。通常,建议的退火温度以玻璃化转变温度(Tg)的聚合物。这可以通过分析技术(例如差示扫描量热法(DSC)或动态机械分析(DMA))轻松测量。 DMA具有测量聚合物物理性能的优势,因此它提供了有关可用于缓解零件内部应力的温度范围的更多信息。

失效分析的荟萃研究表明,ESC是塑料零件现场失效的主要原因,这种失效模式主要影响非晶态聚合物。

图2提供了典型PC的弹性模量与温度的关系图。 Tg 发生在聚合物的弹性模量在非常窄的温度范围内迅速下降的温度区域 140-155 C(284-311 F)。

 

非晶态聚合物的退火技巧

FIG 2 玻璃化转变温度发生在聚合物的弹性模量在140-155 C(284-311 F)的非常狭窄的温度范围内迅速下降的温度区域中。

 

聚碳酸酯的合适退火温度建议在121 C(250 F)和135 C(275 F)。这些温度接近Tg 但保持在模量快速下降的开始以下,以防止零件变形。目的是使用尽可能接近此起始温度的温度,而不会产生零件变形或尺寸变化过多。这在某种程度上取决于零件的几何形状以及可以提供给最容易变形的区域(如浇口附近的区域)的支撑程度。

第二个重要参数是退火时间。这将取决于零件的厚度。塑料是相对较差的热导体,因此必须使零件始终保持均匀的温度。典型的建议是至少30分钟 一旦零件达到所需的温度,再加上5 最小/毫米(0.040英寸)的壁厚。对于截面厚度大于6毫米(0.250英寸)的零件,将这个时间加倍即可获得最佳结果。如果没有提供足够的时间来达到并在适当的时间内保持均匀的温度,实际上可能会导致内部应力水平的增加。

与退火相关的最重要条件可能是温度变化率,尤其是冷却过程中发生的变化率。理想情况下,零件应以不超过50的速率从室温加热到退火温度°​​​​​​​ C /小时(90°​​​​​​​ F / hr)。但是,对结果影响最大的是退火过程的冷却部分。同样,这里的具体建议也有所不同。

但是,一个好的指导原则是冷却速度不超过25 C /小时(45 F / hr),直到零件温度达到60-65 C(140-149 F)。某些零件可能需要以低至5的速度冷却°​​​​​​​ C /小时(9°​​​​​​​ F / hr)。导致退火结果不令人满意的最常见错误是冷却太快。通常,一旦完成规定的退火时间,就会从烤箱中取出零件。零件从退火温度迅速冷却到室温,从而消除了退火过程中完成的所有工作。

一个好的指导方针是冷却速度不超过45°​​​​​​​ F / hr,直到零件达到140-149的温度 F。

退火工艺功效的最终测试是溶剂应力裂纹评估。对于每种聚合物,都有一种化学物质或多种化学物质的混合物将目标确定为内部应力的某个阈值。通常,这种方法涉及两种物质的混合物。一种充当惰性成分,而另一种则是促进应力开裂的活性成分。通过改变混合物中这两种成分的比例,可以调整目标阈值应力,从而可以精确测量零件中的应力。

例如,ABS使用乙酸盐(例如乙酸乙酯)和醇(例如乙醇)的混合物。引起应力开裂所需的较高乙酸盐浓度与零件中较低的内部应力相关​​。在聚碳酸酯中使用相同的方法。但是,对于聚碳酸酯,混合物是正丙醇和甲苯中的一种。将零件浸入混合物中规定的时间,取出并冲洗,然后评估是否开裂。任何观察到的裂纹的位置都有助于确定零件中易于形成高应力水平的区域。

另一种方法是使用一种试剂,产生应力裂纹所需的浸入时间与零件的内部应力有关。例如,可以使用碳酸亚丙酯测试聚碳酸酯。零件中的内部应力水平是零件浸入流体中的时间的函数。无论采用哪种方法,有效的退火工艺都会显着降低所测量的阈值应力。

出于完全不同的原因进行半结晶聚合物的退火。在我们的下一部分中,我们将讨论此过程以及从退火中充分利用这类聚合物的指导原则。

关于作者  Mike Sepe 是一家独立的全球材料和加工顾问,其公司Michael P. Sepe,LLC位于亚利桑那州塞多纳,他在塑料行业拥有40多年的经验,并协助客户进行材料选择,可制造性,工艺设计优化,故障排除和故障分析。联络电话:(928)203-0408• [email protected]

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