PPS,PEEK,PPA,PET等工程塑料半結(jié)晶退火工藝
半結(jié)晶聚合物的退火技巧
您可以放棄通常推薦用于高性能半結(jié)晶材料的高溫模具.但這是有風(fēng)險(xiǎn)的,并且可能會(huì)產(chǎn)生低于預(yù)期的零件……假設(shè)它們從退火過程中出現(xiàn),看起來像圖紙一樣.
高性能半結(jié)晶聚合物通常具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.這導(dǎo)致需要高模具溫度以確保在零件中建立適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶度水平.PPS、PEEK、PPA、SPS 等聚合物,
甚至一些 PET 聚酯都屬于這種高性能類別,其中需要至少 120 C (248 F) 和高達(dá) 200 C (392 F) 的模具溫度,以便達(dá)到想要的結(jié)構(gòu).一些 PET 供應(yīng)商開發(fā)了成核技術(shù),
允許開發(fā)適當(dāng)水平的結(jié)晶度,同時(shí)仍然使用傳統(tǒng)水加熱可以達(dá)到的模具溫度.
就 PPA 而言,幾乎所有此類材料的供應(yīng)商都開發(fā)了快速結(jié)晶等級(jí),作為對(duì)模具溫度要求更高的原始材料的替代品.然而,這種改進(jìn)是通過控制聚合物的化學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的,
從而下降玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (T g ).這是材料供應(yīng)商忽略的事情,雖然成型商可能很高興能夠在不訴諸模具溫度的情況下生產(chǎn)零件,但后面用戶可能不會(huì)那么熱情.
下圖顯示了高性能 PPA 和快速結(jié)晶等級(jí)的模量與溫度的函數(shù)圖.快速結(jié)晶等級(jí)犧牲了超過 50º C (90º F) 的性能.這是我們?cè)谒芰鲜郎现锌吹降目杉庸ば院托阅苤g不斷權(quán)衡的很好例證.
如果對(duì)材料進(jìn)行更改以使處理器更輕松,則幾乎肯定會(huì)下降現(xiàn)場(chǎng)性能.
反之亦然,對(duì)于大多數(shù)高性能半結(jié)晶材料,實(shí)現(xiàn)很佳結(jié)構(gòu)需要使用傳統(tǒng)熱水器無法達(dá)到的模具溫度.相反,需要加壓水、油或加熱器筒.這可能是某些處理器進(jìn)入的重大障礙.
因此,一些加工商試圖將所需的大部分結(jié)晶度退火到零件中.他們沒有使用退火工藝來產(chǎn)生可實(shí)現(xiàn)的很后 10% 的結(jié)晶度,而是在低模具溫度下運(yùn)行材料,這基本上會(huì)導(dǎo)致無定形結(jié)構(gòu),
然后在零件成型后烘烤晶體結(jié)構(gòu).
雖然這在某些情況下可能有效,但這是一種充滿缺點(diǎn)的方法.這些可以通過說明當(dāng)想要半結(jié)晶的材料在無定形狀態(tài)下成型并隨后結(jié)晶時(shí)在結(jié)構(gòu)上發(fā)生的情況來理解.
PEEK 是一種很好的材料示例,它可以根據(jù)材料的冷卻速度制成無定形或半結(jié)晶結(jié)構(gòu).事實(shí)上,一些未填充 PEEK 的數(shù)據(jù)表給出了材料的非晶態(tài)和半晶態(tài)的密度.作為半結(jié)晶材料,
密度為 1.30 g/cm 3.以無定形形式為 1.26 g/cm 3.
我們大多數(shù)人都知道半結(jié)晶聚合物比無定形材料從模具中收縮得更多.未填充的無定形聚合物的典型模具收縮值為 0.005 mm/mm 或約 0.5%.半結(jié)晶形式的未填充 PEEK 收縮約 1.5%.
這可能會(huì)導(dǎo)致處理器尋求在 PEEK 的晶體結(jié)構(gòu)中退火,以計(jì)算出在退火過程中成型零件的尺寸將減少大約 1%.然而,無定形和半結(jié)晶形式之間的密度差異表明體積變化超過 3%.
半結(jié)晶聚合物的退火技巧如圖所示,快速結(jié)晶等級(jí)犧牲了超過 50°C 的性能,說明了我們?cè)谒芰鲜郎现锌吹降目杉庸ば院托阅苤g的持續(xù)權(quán)衡.
我們中的許多人忘記了模具收縮值是根據(jù)零件在顯著壓力下成型后的收縮方式來計(jì)算的.
當(dāng)材料在模具中冷卻時(shí),我們繼續(xù)施加壓力以補(bǔ)償如果零件在不受約束的狀態(tài)下冷卻會(huì)發(fā)生的相對(duì)較大的體積變化.無定形聚合物的成型收縮率通常約為 0.5%,
但我們知道無定形聚合物的熔體密度比固體材料的熔體密度低約 10%.如果沒有模具的限制以及在材料冷卻時(shí)施加壓力的能力,我們對(duì)材料收縮方式的體驗(yàn)將大不相同.
退火在不受約束的環(huán)境中進(jìn)行.因此,零件在退火過程中將表現(xiàn)出的尺寸變化將比我們作為加工商的經(jīng)驗(yàn)所預(yù)期的要大得多.
此外,在相對(duì)較低的模具溫度下成型的零件將在其結(jié)構(gòu)中包含更高程度的保留取向.形成表面的材料將具有與芯部材料大不相同的結(jié)構(gòu),并且在退火過程中,
模內(nèi)應(yīng)力趨于松弛.這經(jīng)常導(dǎo)致翹曲.
零件在退火過程中出現(xiàn)的尺寸變化將比我們作為加工商的經(jīng)驗(yàn)所預(yù)期的要大得多.
該加工商通過將模具溫度從 120 攝氏度（248 華氏度）下降到 35 攝氏度（95 華氏度）來糾正半結(jié)晶材料的長(zhǎng)連接器中的翹曲問題.客戶收到零件后,
立及時(shí)它們放入 120 攝氏度的烤箱中,零件的翹曲程度甚至比從熱模中出來時(shí)還要嚴(yán)重.處理者聲稱客戶在作弊.我向他們解釋說,
客戶只是確定部件在現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到工作溫度時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況,而一旦部件達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)工作溫度,他們?yōu)榧m正翹曲問題而控制的結(jié)晶度無論如何都會(huì)發(fā)生.設(shè)備.
退火大部分或全部晶體結(jié)構(gòu)的很后一個(gè)問題可以追溯到我們?cè)谏弦黄恼轮刑岬降膯栴}：通過退火形成的固態(tài)晶體不如由熔體形成的晶體大或很好.
眾所周知,退火的晶體會(huì)在略高于它們產(chǎn)生時(shí)的溫度下熔化.再次考慮 PEEK.PEEK 的常見退火程序是暴露于 200 C (392 F) 2 小時(shí).
該溫度遠(yuǎn)高于聚合物的 T g并且將有效地提供我們無法從模塑過程中獲得的很后一點(diǎn)結(jié)晶度.
但是考慮一個(gè)在本質(zhì)上處于無定形狀態(tài)的部件.在 200 攝氏度退火時(shí),假設(shè)零件仍處于可識(shí)別的形式,它將由在大約 220 攝氏度（428 華氏度）下熔化的晶體組成.
這與我們期望聚合物的典型熔點(diǎn) 343 C (649 F) 相去甚遠(yuǎn).它甚至低于該材料所引用的連續(xù)使用溫度,在 UL 黃卡上,該溫度可高達(dá) 260 C (500 F).
因此,雖然在技術(shù)上可以放棄通常與加工高性能半結(jié)晶材料的很佳實(shí)踐相關(guān)的升高的模具溫度,但這是很危險(xiǎn)的,并且可能會(huì)產(chǎn)生明白低于預(yù)期的零件 -
假設(shè)它們從退火中出來過程看起來像圖紙.在我們的下一個(gè)專欄中,我們將把退火討論擴(kuò)展到它在交聯(lián)材料中的應(yīng)用.
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