Materialen deel 1:Wat gloeien voor uw proces kan doen

Uitgloeien kan spanningen in amorfe materialen verlichten en de kristalliniteit in semi-kristallijne harsen verhogen. (Foto:gloeioven van Grieve Corp.)

Het gloeien van kunststoffen wordt niet uitgevoerd als onderdeel van de meeste productieprocessen. Er zijn uitzonderingen. Producten met een aanzienlijke dikte, zoals massieve staven, dikwandige buizen en platen, worden vaak gegloeid als voorbereidende stap voor bewerking. Dit wordt gedaan om de structuur van het materiaal te stabiliseren en interne spanning te verminderen, om dezelfde redenen dat het proces wordt uitgevoerd in metalen materialen. In alle producten die door smeltverwerking zijn vervaardigd, introduceren de relatief hoge afkoelsnelheden die met deze processen gepaard gaan een zekere mate van interne spanning en een afwijking van een evenwichtstoestand. In gevallen waarin dit een niveau van interne stress veroorzaakt dat functionele problemen veroorzaakt tijdens het gebruik, kan gloeien worden uitgevoerd om de stress terug te brengen tot niveaus die tijdens de verwerking mogelijk niet haalbaar zijn.

De reden voor het uitgloeien, en het effect dat het heeft op het materiaal, zal sterk afhangen van het polymeer dat wordt uitgegloeid. Bij amorfe polymeren is het doel de interne spanning te verminderen. Onderdelen die zijn geproduceerd in een goed gecontroleerd proces waarbij voldoende aandacht wordt besteed aan het belang van de afkoelsnelheid, kunnen interne spanningen van minder dan 1000 psi bevatten. Maar onderdelen die snel worden afgekoeld, kunnen interne spanningen vertonen die twee tot drie keer zo hoog zijn. Hoe hoger de interne stress, hoe minder het product in staat zal zijn om externe stress te beheersen zonder te falen. Bovendien is de kans groter dat defecten in onderdelen die een hoge mate van interne spanning bevatten, bros zijn.

Zelfs als de toepassing naar verwachting geen verhoogd niveau van externe spanning met zich meebrengt, kunnen hoge interne spanningen de gevoeligheid voor omgevingsspanningsscheuren (ESC) vergroten. Amorfe polymeren vertonen met name ESC als ze worden blootgesteld aan bepaalde chemische middelen. Deze chemische middelen kunnen aanwezig zijn als oplosmiddelen, weekmakers, reinigingsmiddelen, roestwerende middelen en kleefstoffen, en langdurig contact van een amorf polymeer met deze vloeistoffen kan leiden tot ESC-storingen. In dit soort omgevingen kan gloeien het verschil zijn tussen succes en mislukking.

In semi-kristallijne polymeren is het doel van gloeien fundamenteel anders. Semi-kristallijne polymeren worden gebruikt vanwege de mechanische en thermische eigenschappen die voortvloeien uit hun kristalliniteit. De mate van kristalliniteit bepaalt eigenschappen zoals sterkte, modulus, behoud van mechanische eigenschappen boven de glasovergangstemperatuur, chemische weerstand, vermoeidheid en kruipweerstand, en tribologische eigenschappen. Net zoals interne spanningen in amorfe polymeren worden geminimaliseerd door langzamere afkoelsnelheden, wordt kristalliniteit in een semi-kristallijn polymeer gemaximaliseerd door de snelheid waarmee het materiaal wordt afgekoeld te vertragen.

Maar zelfs in de beste omstandigheden resulteren de afkoelsnelheden die gepaard gaan met smeltverwerking in een onderdeel dat ongeveer 90% van de haalbare kristalliniteit bezit. In de meeste gevallen is dit voldoende. Maar in die gevallen waar dit niet het geval is, wordt gloeien uitgevoerd om die extra 10% te verschaffen.

De kans op kristalvorming vindt plaats in een temperatuurvenster onder het smeltpunt van het polymeer en boven de glasovergangstemperatuur (T_g ). Bijgevolg moet de gloeitemperatuur hoger zijn dan de T_g om het gewenste resultaat te bereiken. Optimale kristallisatiesnelheden worden gewoonlijk verkregen nabij het middelpunt tussen het smeltpunt en de T_g . Als voorbeeld nylon 66, met een T_g van 60 C (140 F) en een smeltpunt van 260 C (500 F), gloeit het meest efficiënt bij ongeveer 160 C (320 F).

In verknoopte materialen wordt het gloeiproces uitgevoerd om redenen die vergelijkbaar zijn met die welke gelden voor semi-kristallijne thermoplasten. Net zoals vormprocessen moeite hebben om het hoogst mogelijke niveau van kristallisatie te bereiken, bereiken ze ook typisch niet het optimale niveau van verknoping. Hoewel dit kan worden bereikt door de cyclustijd te verlengen, is een dergelijke benadering vaak niet gunstig uit economisch oogpunt en is het efficiënter om een ​​groot aantal onderdelen na het vormen opnieuw te verwarmen. In de thermohardende industrie wordt dit meestal nabakken genoemd en het wordt meestal uitgevoerd op polymeren zoals fenolen en polyimiden.

Veel vaklieden in de industrie hebben echter ook voordelen gevonden bij het uitvoeren van deze bewerking op onverzadigde polyesters, epoxy's en siliconen. Om ervoor te zorgen dat het nabakproces de verknopingsdichtheid van het materiaal effectief bevordert, moet de temperatuur van het bakproces de T_g overschrijden van het polymeer in het vormdeel. Zoals we in een later artikel zullen zien, zijn er enkele thermoplasten die ook nabakken nodig zijn om optimale eigenschappen te bereiken.

Sommige elastomeren hebben ook baat bij een nabak- of gloeiproces. Net als bij semi-kristallijne thermoplasten en stijve verknoopte polymeren, is het doel niet het verminderen van interne spanning, maar in plaats daarvan een structurele herschikking die de mechanische en thermische prestaties verbetert. Dit proces kan nuttig zijn in thermoplastische elastomeren zoals polyurethanen, en het is ook aangetoond dat het de prestaties verbetert in verknoopte systemen zoals siliconenrubber. Het proces is met name nuttig bij het leveren van optimale prestaties in toepassingen waarbij sprake is van langdurige blootstelling aan hoge temperaturen.

Om ervoor te zorgen dat deze processen het gewenste resultaat bereiken, zijn de specifieke omstandigheden van gloei- of nabaktemperatuur en tijd van cruciaal belang. Van even groot belang in sommige van deze gevallen is de mate van afkoeling nadat het verwarmingsproces is voltooid. Het niet beheersen van dit koelproces is vaak de reden dat gloeien niet het gewenste resultaat oplevert. Dit is een parameter die vaak over het hoofd wordt gezien.

In volgende artikelen in deze serie zullen we de verschillende vereisten bespreken die betrekking hebben op amorfe thermoplasten, semi-kristallijne thermoplasten, verknoopte materialen en elastomeren. We zullen ook de grenzen van dit proces bespreken om positieve resultaten te bereiken zonder onbedoelde negatieve gevolgen.

OVER DE AUTEUR: ​​Mike Sepe is een onafhankelijke, wereldwijde materiaal- en verwerkingsadviseur wiens bedrijf, Michael P. Sepe, LLC, is gevestigd in Sedona, Ariz. Hij heeft meer dan 40 jaar ervaring in de kunststofindustrie en helpt klanten bij materiaalkeuze, ontwerpen voor maakbaarheid, proces optimalisatie, probleemoplossing en storingsanalyse. Contactpersoon:(928) 203-0408 • [email protected].