Materialen:gloeitips voor amorfe polymeren, deel 2
Zoals we vorige maand in deel 1 kort hebben besproken, zijn amorfe polymeren vatbaar voor falen door omgevingsspanningsscheuren (ESC). We begrijpen dat dit mechanisme in wezen een mechanisch defect is dat wordt versneld door de aanwezigheid van een chemische stof die het polymeer plaatselijk week maakt in een gebied waar een klein defect is ontstaan.
Het defect kan een insluiting zijn, zoals een stuk metaal of koolstof, of het kan een inkeping zijn die is ontstaan door incidentele schade. Het kan ook te wijten zijn aan een ontwerpfout zoals een scherpe hoek of een snelle verandering in de wanddikte van het onderdeel dat een plaatselijk verhoogd spanningsniveau veroorzaakt. Of het kan worden bevorderd door een verhoogd niveau van interne stress veroorzaakt door vormomstandigheden. Hoge niveaus van interne spanning worden veroorzaakt door snelle afkoeling van het polymeer.
Een verwerkingsstrategie die snelle koeling omvat, kan ook de eigenschappen op korte termijn beïnvloeden, met name de ductiliteit. Dit is een punt van zorg aangezien veel amorfe polymeren, zoals ABS en PC, grotendeels worden gebruikt vanwege hun uitstekende taaiheid. Figuur 1 toont de resultaten van een onderzoek naar de effecten van smelt- en matrijstemperatuur op de slagvastheid van ABS. Dit toont aan dat de gevormde exemplaren een zeer lage energie hebben om te breken wanneer de vormtemperatuur relatief laag wordt ingesteld. Naarmate de matrijstemperatuur wordt verhoogd, stijgt de slagvastheid dramatisch.
FIG 1 Gegoten specimens vertonen een zeer lage energie-om te breken wanneer de temperatuur van de mal relatief laag wordt ingesteld. Naarmate de matrijstemperatuur wordt verhoogd, stijgt de slagvastheid dramatisch.
Maar zelfs bij een hoge matrijstemperatuur ligt de afkoelsnelheid van een polymeer tijdens het spuitgietproces in de orde van 150-300° C/min (270-540 ° F/min). Met zo'n snelle temperatuurverandering is een zekere mate van interne stress onvermijdelijk. In situaties waarin de toepassingsomgeving een combinatie van verhoogde temperatuur, langere levensduur, spanningen die de proportionele limiet kan overschrijden en blootstelling aan bepaalde chemicaliën met zich meebrengt, kunnen zelfs relatief lage niveaus van interne stress leiden tot voortijdig falen als gevolg van ESC. Metastudies met faalanalyse hebben aangetoond dat ESC de belangrijkste oorzaak is van veldstoringen in plastic onderdelen en deze faalwijze treft voornamelijk amorfe polymeren.
In amorfe polymeren wordt uitgloeien uitgevoerd om de interne spanningen te verlagen tot een niveau dat niet haalbaar is binnen de omstandigheden van een normaal vormproces. Er zijn een paar parameters die belangrijk zijn om de gewenste resultaten te bereiken. De eerste hiervan is de temperatuur van het gloeiproces. Meestal wordt de aanbevolen gloeitemperatuur geïndexeerd met de glasovergangstemperatuur (Tg ) van het polymeer. Dit kan gemakkelijk worden gemeten met analytische technieken zoals differentiële scanningcalorimetrie (DSC) of dynamische mechanische analyse (DMA). DMA heeft het voordeel dat het de fysieke eigenschappen van het polymeer meet, daarom geeft het meer informatie over het temperatuurbereik dat kan worden gebruikt om de interne spanningen in het onderdeel te verminderen.
Figuur 2 geeft een grafiek van de elasticiteitsmodulus als functie van de temperatuur voor een typische pc. De Tg komt voor in het temperatuurgebied waar de elasticiteitsmodulus van het polymeer snel afneemt over een zeer smal temperatuurbereik van 140-155 C (284-311 F).
FIG 2 De glasovergangstemperatuur treedt op in het temperatuurgebied waar de elasticiteitsmodulus van het polymeer snel afneemt over een zeer smal temperatuurbereik van 140-155 C (284-311 F).
Aanbevelingen voor een geschikte gloeitemperatuur voor polycarbonaat variëren tussen 121 C (250 F) en 135 C (275 F). Deze temperaturen liggen dicht bij de Tg maar blijf onder het begin van de snelle daling van de modulus om vervorming van de onderdelen te voorkomen. Het doel is om een temperatuur te gebruiken die zo dicht mogelijk bij dit begin ligt zonder vervorming van het onderdeel of een buitensporige mate van dimensionale verandering. Dit hangt enigszins af van de geometrie van het onderdeel en het ondersteuningsniveau dat kan worden geboden aan gebieden die het meest vatbaar zijn voor vervorming, zoals gebieden rond poorten.
De tweede belangrijke parameter is de gloeitijd. Dit is afhankelijk van de dikte van het onderdeel. Kunststoffen zijn relatief slechte warmtegeleiders en het onderdeel moet overal op een gelijkmatige temperatuur komen. Typische aanbevelingen zijn minimaal 30 minuten nadat de onderdelen de gewenste temperatuur hebben bereikt, plus 5 min/mm (0,040 in.) wanddikte. Voor onderdelen met secties dikker dan 6 mm (0.250 in) worden de beste resultaten verkregen door deze tijd te verdubbelen. Als er niet voldoende tijd wordt gegeven om een uniforme temperatuur gedurende een geschikte tijdsduur te bereiken en te handhaven, kan dit in feite een toename van het niveau van interne stress veroorzaken.
Misschien wel de belangrijkste voorwaarde voor gloeien is de snelheid van temperatuurverandering, met name de snelheid van verandering die optreedt tijdens het koelproces. Idealiter moeten de onderdelen worden verwarmd van kamertemperatuur tot de gloeitemperatuur met een snelheid van niet meer dan 50°C/uur (90°F/uur). Maar het is het afkoelgedeelte van het gloeiproces dat de grootste invloed heeft op het resultaat. Ook hier variëren specifieke aanbevelingen.
Een goede richtlijn is echter een afkoelsnelheid die niet hoger is dan 25 C/uur (45 F/uur) totdat de onderdelen een temperatuur van 60-65 C (140-149 F) hebben bereikt. Sommige onderdelen moeten mogelijk worden gekoeld met een snelheid van maar liefst 5° C/uur (9° F/uur). De meest voorkomende fout die resulteert in een onbevredigend gloeiresultaat is te snel afkoelen. Vaak worden onderdelen uit de oven gehaald zodra de voorgeschreven gloeitijd is verstreken. De onderdelen koelen snel af van de gloeitemperatuur tot kamertemperatuur, waardoor al het werk dat door het gloeiproces is gedaan, ongedaan wordt gemaakt.
De ultieme test van de werkzaamheid van een gloeiproces is een evaluatie van de stress-scheur in een oplosmiddel. Voor elk polymeer is er een chemische stof of een mengsel van chemicaliën die een bepaalde drempel van interne stress zal bereiken. Vaak gaat het bij deze aanpak om een mengsel van twee stoffen. De ene fungeert als het inerte ingrediënt, terwijl de andere het actieve ingrediënt is dat spanningsscheuren bevordert. Door de verhouding van deze twee bestanddelen in het mengsel te veranderen, kan de beoogde drempelspanning worden aangepast, zodat de spanning in het onderdeel nauwkeurig kan worden gemeten.
ABS gebruikt bijvoorbeeld een mengsel van een acetaat zoals ethylacetaat en een alcohol zoals ethanol. Hogere concentraties van het acetaat dat nodig is om spanningsscheuren te veroorzaken, correleren met lagere interne spanningen in het onderdeel. Dezelfde benadering wordt gebruikt in polycarbonaat. Bij polycarbonaat is het mengsel echter een mengsel van n-propanol en tolueen. Onderdelen worden gedurende een voorgeschreven tijd in het mengsel ondergedompeld, verwijderd en gespoeld en vervolgens beoordeeld op barsten. De locatie van waargenomen scheuren helpt om gebieden van het onderdeel te identificeren die vatbaar zijn voor de vorming van verhoogde spanningsniveaus.
Een alternatieve benadering maakt gebruik van een enkel reagens en de onderdompelingstijd die nodig is om spanningsscheuren te veroorzaken, is gerelateerd aan de interne spanning in het onderdeel. Polycarbonaat kan bijvoorbeeld worden getest met propyleencarbonaat. Het niveau van interne spanning in het onderdeel is een functie van de tijd dat het onderdeel in de vloeistof is ondergedompeld. Met beide methoden zal een effectief gloeiproces een opmerkelijke vermindering van de gemeten drempelspanning opleveren.
Het gloeien van semi-kristallijne polymeren gebeurt om een heel andere reden. In ons volgende segment zullen we dit proces en de richtlijnen bespreken om het meeste uit het gloeien van deze klasse polymeren te halen.
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].
Hars
- Tips voor het gebruik van thermohardende composieten in de HVAC-industrie
- Materialen deel 1:Wat gloeien voor uw proces kan doen
- Deel 3 Materialen:gloeitips voor semikristallijne polymeren
- Materialen deel 5:gloeitips voor verknoopte polymeren
- 3 tips voor het beheren van de logistiek van uw bouwproject
- Airtech lanceert materialen voor vacuümzakken op hoge temperatuur voor thermoplastisch gieten
- Tips voor 3D-printvormen
- Tips voor vrachtwagenchauffeurs om stress op de weg te beheersen
- Top 5 tips voor magazijnbeheer met reserveonderdelen
- Tips voor het selecteren van bronzen lagermaterialen
- Ontwerptips voor spuitgieten