聚酰胺酰亞胺注塑加工的退火工藝
聚酰胺酰亞胺的退火技巧
由七部分組成的退火討論的很后一部分涉及一種高性能材料，這種材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)先進(jìn)于時代，是我們行業(yè)中很接近熱塑性和熱固性材料混合體的材料。
在化學(xué)上，它被稱為聚酰胺-酰亞胺 (PAI)；顧名思義，聚合物主鏈包含兩個不同的官能團(tuán)。我們熟悉的酰胺是世上上大部分地區(qū)稱為聚酰胺的材料家族，在北美稱為尼龍。
酰亞胺結(jié)構(gòu)對于在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域工作的人來說是熟悉的。它通常被認(rèn)為屬于聚合物家族的熱固性方面。
在過去的 20 年里，聚酰亞胺已經(jīng)發(fā)展成為熱塑性塑料，可以通過注塑成型等方法進(jìn)行熔融加工。
大約 40 年前，聚醚酰亞胺 (PEI) 的誕生是為了彌合工程聚合物系列與高性能材料之間的差距。隨著時間的推移，這種化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)得到改進(jìn)，
以生產(chǎn)出玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于原始 PEI 的無定形材料。但是，PAI 很初以商標(biāo) Torlon 為人所知，在 1970 年代初期實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，當(dāng)時工程聚合物的想法還很新。
Torlon 的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)時可用的其他其他高性能熱塑性塑料，而當(dāng)涉及到無定形熱塑性塑料時，該系列材料的性能仍然超過其他其他可熔融加工的材料。
用于展示該材料機(jī)械和熱性能的新穎應(yīng)用之一是被稱為 Polimotor 的賽車發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)廣泛使用了 PAI 生產(chǎn)的部件。
該聚合物首先由 Amoco 商業(yè)化，在由石化產(chǎn)品和大批量商品聚合物（如 PE 和 PP）組成的產(chǎn)品線中并不合適。
此外，幾乎總是如此，材料的高性能帶來了許多加工挑戰(zhàn)。熔融材料的粘度很高，通常高于 700 F (371 C) 的熔體溫度。模具溫度也升高，通常為 400 F (205 C)。
即使在今天，對于許多處理器來說，這些都是艱難的條件。在 1970 年代，它們幾乎聞所未聞。
因此，許多 PAI 原材料在 Amoco 內(nèi)加工成止推墊圈、軸承以及航空航天和石油勘探組件等部件。注塑機(jī)配備的螺桿具有高 L/D 比和低壓縮比，以阻止過度剪??切加熱。
他們需要 40,000 psi (275 MPa) 范圍內(nèi)的塑料壓力來應(yīng)對高熔體粘度。
如何對聚酰胺酰亞胺進(jìn)行退火聚合過程產(chǎn)生了一種具有左下方所示結(jié)構(gòu)的材料。這是材料成型時的狀態(tài)。
但是為了開發(fā)很終用戶所依賴的特性，模制部件必須經(jīng)過后烘烤過程才能實(shí)現(xiàn)右下角的結(jié)構(gòu)。
但是，制造符合優(yōu)良性能的可用部件所面臨的挑戰(zhàn)超出了成型過程。PAI 具有特別的化學(xué)性質(zhì)，如圖 1 所示。聚合過程產(chǎn)生的材料具有左下方所示的結(jié)構(gòu)。
這是材料成型時的狀態(tài)。但是為了開發(fā)很終用戶所依賴的特性，模制部件必須經(jīng)過后烘烤過程才能實(shí)現(xiàn)右下角的結(jié)構(gòu)。幾乎總是如此，材料的高性能伴隨著許多加工挑戰(zhàn)。
材料的特性在很大程度上取決于其分子的幾何形狀。對聚合后和后固化結(jié)構(gòu)的檢查顯示了該幾何形狀的一些重要變化。
聚合后的材料包含一個六邊環(huán)，稱為芳香環(huán)，沿著一個邊緣連接到一個開放結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由四個元素組成，看起來像第二個環(huán)的開始。
但是環(huán)還沒有達(dá)到封閉的形式，開放的結(jié)構(gòu)在鏈條的形狀上產(chǎn)生了偏移。
后烘烤過程促進(jìn)了稱為酰亞胺化的化學(xué)反應(yīng)。這有效地將第二個環(huán)閉合成一個五元單元，并在此過程中“拉直”了鏈條。
在性能方面，這意味著更高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度以及更好的耐熱性。圖 2 顯示了模制和烘烤后 PAI 樣品的模量與溫度的函數(shù)圖。
后烘烤部件的模量比模制部件的模量高 15% 以上，并且在整個溫度范圍內(nèi)保持這一優(yōu)勢。
此外，推動這種材料在很高的溫度下工作的高度宣傳能力的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增加了 75º F (42º C)。
這些材料的數(shù)據(jù)表上顯示的關(guān)鍵性能特征之一是在高達(dá) 525 F (274 C) 的溫度下保持機(jī)械性能。但從這些曲線中可以明白看出，這適用于執(zhí)行后烘烤的情況。
如果我們暫時回到圖 1 中的化學(xué)結(jié)構(gòu)，我們將看到與適當(dāng)?shù)暮蠛婵静呗韵嚓P(guān)的挑戰(zhàn)。仔細(xì)觀察左下角和右下角的結(jié)構(gòu)，您會發(fā)現(xiàn)材料的化學(xué)性質(zhì)已被后烘烤過程改變。
開放端之一上的 -OH 基團(tuán)和連接到聚合材料另一個開放端上氮原子的氫原子已通過閉合第二個環(huán)的過程去掉。
將這些成分加在一起，你就會得到水，這是在后烘烤過程中產(chǎn)生的，必須從模制部件結(jié)構(gòu)中去掉。在后烘烤過程中，水必須通過零件壁緩慢擴(kuò)散。
如果這個過程沒有完成，就不能達(dá)到很好的的特性曲線。但是，如果操作太快，大量的水會釋放出來，導(dǎo)致零件出現(xiàn)空隙和起泡，這與對某些熱固性塑料進(jìn)行后固化時可能發(fā)生的情況類似。
如果后烘烤進(jìn)行得太快，所有與成型相關(guān)的艱苦工作以及已經(jīng)投入后烘烤過程的其他時間都將丟失。
為了調(diào)節(jié) PAI 部件中水的演變和釋放，后烘烤過程必須在相對較低的溫度下開始，然后逐步升高到更高的溫度以完成該過程。
在原始文獻(xiàn)中，標(biāo)準(zhǔn)建議是在 330 F (165 C) 下保持 24 小時，然后在 475 F (246 C) 下再保持 24 小時，然后在 500 F (260 C) 下再保持 24 小時。
但此例程的細(xì)節(jié)取決于零件幾何形狀。如果后烘烤進(jìn)行得太快，所有與成型相關(guān)的艱苦工作以及已經(jīng)投入后烘烤過程的其他時間都將丟失。
72 小時的三步過程足以滿足許多零件的需求。但在某些情況下，可能需要超過兩周的后烘烤才能正確完成材料的化學(xué)反應(yīng)并生產(chǎn)出可用的部件。
如何對聚酰胺酰亞胺進(jìn)行退火后烘烤部件的模量比成型部件的模量高 15% 以上，并且在整個溫度范圍內(nèi)都保持這一優(yōu)勢。
此外，推動這種材料在很高的溫度下工作的高度宣傳能力的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增加了 75° F。
近年來，Torlon PAI 產(chǎn)品線的當(dāng)前所有者索爾維特種聚合物公司重新啟動了 Polimotor 概念。但是對新一代電機(jī)的檢查表明，現(xiàn)在凸輪鏈輪是由 PAI 制成的。
與 1970 年代的 Amoco 不同，Solvay 是一家擁有許多高性能聚合物可供選擇的制造商，他們使用半結(jié)晶材料（如 PEEK、PPS 和 PPA）制造許多過去由 PAI 生產(chǎn)的組件。
所有這些聚合物的熔點(diǎn)都超過了 PAI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。 盡管如此，PAI 仍然是一種有趣的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)即使是該家族的這些半結(jié)晶成員也無法達(dá)到的性能水平。
但是您必須愿意為這種性能而努力，而退火過程是其中不可少的一部分。
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