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材料第1部分:退火可以为您的过程做些什么

加工中相对较快的冷却速度会引入内部应力。如果使用中出现功能问题,退火可能会将应力降低到加工过程中无法达到的水平。
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在出现塑料之前很久就有了退火的过程。金属行业,尤其​​是钢铁行业,很长时间以来就已经知道进行后续处理,使材料暴露于 受控的加热和冷却将降低材料的硬度,增加延展性并减少内部应力。材料的微观结构也会改变。其他金属材料,例如铜和黄铜也可以受益。

退火可以缓解无定形材料中的应力并提高半结晶树脂的结晶度。 (照片:Grieve Corp.的退火炉)

退火可以缓解无定形材料中的应力并提高半结晶树脂的结晶度。 (照片:退火炉来自 格里夫公司)

在大多数制造过程中,不对塑料进行退火。也有例外。厚度较大的产品,例如实心杆,厚壁管 and sheet 通常将其退火作为机加工的准备步骤。这样做是为了稳定材料的结构并减少内部应力,这与在金属材料中进行该过程非常相似。在所有通过熔体加工制造的产品中,与这些过程相关的相对较快的冷却速度会引入一定程度的内应力,并偏离平衡状态。如果产生的内应力水平在使用中产生功能问题,可以进行退火以将应力降低到加工过程中无法达到的水平。

厚度较大的产品,例如实心杆,厚壁管 and sheet 通常在加工的准备步骤中进行退火。

退火的原理及其对材料的影响将在很大程度上取决于要退火的聚合物。在无定形聚合物中,目的是减少内部应力。适当控制冷却速度的重要性的受控流程中生产的零件可能包含低于1000 psi的内部应力。但是迅速冷却的零件可能会表现出两倍至三倍的内应力。 内部应力越高,产品处理外部应力而不失效的能力越弱。此外,内部应力较高的零件中的失效更容易发生。

即使不期望应用程序涉及到较高的外部应力水平,较高的内部应力也会增加对环境应力开裂(ESC)的敏感性。如果非晶态聚合物暴露于某些化学试剂中,则极有可能表现出ESC。这些化学试剂可能以溶剂,增塑剂,清洁剂,防锈剂和粘合剂的形式存在,并与 带有这些流体的无定形聚合物会导致ESC故障。在这些类型的环境中,退火可能是成功与失败之间的区别。

在半结晶聚合物中,退火的目的根本不同。使用半结晶聚合物是因为它们的结晶性会产生机械和热属性。结晶度控制诸如强度,模量,在玻璃化转变温度以上的机械性能的保持性,耐化学性,耐疲劳和抗蠕变性以及摩擦学性能等性能。正如通过降低冷却速度将无定形聚合物的内应力降到最低一样,半结晶聚合物的结晶度为 最大化 通过减慢材料的冷却速度。

但是即使在最好的情况下,与熔体加工相关的冷却速度也会导致零件拥有约90%的可达到的结晶度。在大多数情况下,这就足够了。但是在没有的情况下,进行退火以提供额外的10%。

晶体形成的机会发生在低于聚合物熔点且高于其玻璃化转变温度(Tg)。因此,退火温度必须高于Tg 为了达到预期的效果。通常在熔点和T之间的中点附近可获得最佳结晶速率g。例如,尼龙66,带有Tg of 60 C (140 F)和260 C(500 F)的熔点,最有效地在160左右退火 C(320 F)。

在交联材料中,执行退火过程的原因与控制半结晶热塑性塑料的原因相似。正如模塑工艺难以达到最高的结晶水平一样,它们通常也不能达到最佳的交联水平。尽管这可以通过延长周期时间来实现,但经济学上通常不赞成这种方法,并且在成型后重新加热大量零件更为有效。在热固性工业中,这通常称为后烘烤,并且通常在诸如酚醛树脂和聚酰亚胺的聚合物上进行。

但是,行业中的许多从业人员也发现在不饱和聚酯,环氧树脂和硅酮上进行此操作的好处。为了使后烘烤过程有效地提高材料的交联密度,烘烤过程的温度必须超过 Tg 成型部件中聚合物的含量。正如我们将在后面的文章中看到的那样,有些热塑性塑料也需要进行后烘烤才能达到最佳性能。

一些弹性体还受益于后烘烤或退火过程。与半结晶热塑性塑料和刚性交联聚合物一样,其目的不是降低内部应力,而是要改善机械性能和热性能的结构重排。该方法可用于热塑性弹性体,例如聚氨酯,并且还显示出可改善在交联体系中的性能,例如硅橡胶。在涉及长时间暴露于高温的应用中,该方法在提供最佳性能方面特别有用。

为了使某些过程获得期望的结果,退火或后烘烤温度和时间的特定条件至关重要。

为了使这些过程获得期望的结果,退火或后烘烤温度和时间的特定条件至关重要。在某些情况下,加热过程结束后的冷却速度也同样重要。无法管理该冷却过程通常是退火无法获得所需结果的原因。这是一个经常被忽略的参数。

在本系列的后续文章中,我们将讨论与无定形热塑性塑料,半结晶热塑性塑料,交联材料和弹性体有关的不同要求。我们还将讨论在不引入意料之外的负面后果的情况下实现积极成果的过程的局限性。

关于 THE AUTHOR:  迈克·塞普(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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