Teil 3 Materialien: Glühspitzen für teilkristalline Polymere

Das Glühen von amorphen Polymeren wird typischerweise durchgeführt, um die innere Spannung in einem Teil unter die während des Formprozesses erreichbaren Werte zu reduzieren. Bei teilkristallinen Polymeren besteht das Ziel des Glühens jedoch darin, einen Kristallinitätsgrad einzustellen, der innerhalb der Parameter eines normalen Formzyklus praktisch nicht erreicht werden kann.

Jedes teilkristalline Polymer hat die Fähigkeit, bis zu einem gewissen Grad zu kristallisieren, was von der chemischen Struktur der Polymerkette abhängt. HDPE hat eine flexible, stromlinienförmige Kette, die eine effiziente Kristallisation zu einem sehr hohen Prozentsatz ermöglicht, während ein Material wie PEEK selbst unter den sorgfältig kontrollierten Prozessbedingungen ein bescheidenes Maß an Kristallinität erreicht.

Optimale Kristallinitätsgrade verbessern eine Vielzahl von Eigenschaften, darunter Festigkeit, Modul, Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit sowie Dimensionsstabilität. Diese letzte Eigenschaft ist sehr wichtig in Anwendungen, in denen sehr enge Toleranzen in Teilen eingehalten werden müssen, die bei erhöhten Temperaturen verwendet werden. Die Kristallisation wird durch die Kühlrate gesteuert und tritt während des Herstellungsprozesses schnell auf. Um ein optimales Kristallisationsniveau zu erreichen, muss die Temperatur der Form über der Glasübergangstemperatur des Polymers gehalten werden. Dies fördert ein Maß an molekularer Mobilität, das die Bildung von Kristallen ermöglicht.

Kristallisation kann nur im Temperaturfenster unterhalb des kristallinen Schmelzpunktes und oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) auftreten. Betrachten Sie PPS als Beispiel. Der Schmelzpunkt von PPS beträgt 280 C (536 F), während der Tg ungefähr 130 C (266 F) beträgt, wenn er aus einer bestimmten dynamisch-mechanischen Eigenschaft bestimmt wird. Daher ist die Richtlinie für die Einstellung der Formtemperatur, um eine ordnungsgemäße Kristallisation sicherzustellen, ein Minimum von 135 C (275 F). Verarbeiter, die auf diese Anforderung achten, wählen typischerweise Formtemperaturen von 135-150 C (275-302 F). Aber selbst wenn dieser Parameter richtig gesteuert wird, wird die relativ schnelle Abkühlgeschwindigkeit bei der Schmelzeverarbeitung und die begrenzte Zeit, die das Teil in der Form verbringt, das Erreichen der kristallinen Struktur auf etwa 90% dessen begrenzen, was theoretisch erreichbar ist.

Ein entscheidender Faktor bei der Auswahl einer Glühtemperatur ist die maximale Temperatur, der das Teil in der Anwendung ausgesetzt wird.

Wir wissen, dass die Kristallisationsgeschwindigkeit nicht über den gesamten Temperaturbereich zwischen Tg und Tm (Schmelzpunkt) konstant ist. In vielen Polymeren bilden sich Kristalle am schnellsten bei einer Temperatur etwa in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen. Um die effizienteste Kristallisationsrate in PPS zu erreichen, würden wir daher eine Formtemperatur von 205 C (401 F) verwenden. Dies ist eine schwierigere Formtemperatur, und der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zwischen einem Teil, das bei dieser höheren Formtemperatur hergestellt wird, und einem Teil, das bei der niedrigeren Formtemperatur hergestellt wird, ist relativ gering. Daher besteht die typische Praxis darin, die niedrigere Formtemperatur zu verwenden.

Wenn das Formteil jedoch bei 200 C betrieben werden muss, führt die Einwirkung dieser Anwendungstemperatur zu einer zusätzlichen Kristallisation, während das Produkt verwendet wird. Wir wissen, dass Materialien, wenn sie kristallisieren, schrumpfen. So kann ein Teil, das in das Feld geht, das zu den richtigen Maßen geformt wird und dann sehr hohen Anwendungstemperaturen ausgesetzt wird, Größe während des Gebrauches ändern. Wenn diese Dimensionsänderung ein funktionelles Problem für das Produkt darstellt, müssen die Abmessungen des Teils stabilisiert werden, bevor es verwendet wird. Dies geschieht durch Glühen.

Die Zielglühtemperatur ist oft der Mittelpunkt zwischen Tg und Tm. Niedrigere Temperaturen erfordern eine längere Glühzeit. (Foto: Glühofen von Grieve Corp.)

Bei amorphen Polymeren muss sich die Glühtemperatur der Tg des Polymers nähern. Um jedoch das gewünschte Ergebnis beim Glühen eines teilkristallinen Materials zu erzielen, muss die Glühtemperatur die Tg des Polymers überschreiten. Die benötigte Zeit hängt von der Wandstärke des Teils ab, wie dies bei amorphen Polymeren der Fall ist. Der andere Faktor, der die erforderliche Zeit beeinflusst, ist jedoch die Glühtemperatur.

Wie oben erwähnt, ist die Zielglühtemperatur oft der Mittelpunkt zwischen Tg und Tm. Niedrigere Temperaturen erfordern eine längere Glühzeit. Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Auswahl einer Glühtemperatur ist die maximale Temperatur, der das Teil in der Anwendung ausgesetzt wird. Wenn ein Teil bei 200 C geglüht wird, aber dann bei 225 C verwendet wird, bilden sich bei der höheren Gebrauchstemperatur neue Kristalle, die während des Glühprozesses nicht gebildet wurden. Dies führt zu zusätzlichen Dimensionsänderungen, die problematisch sein können. Daher sollte die Glühtemperatur gleich oder geringfügig größer als die maximale Temperatur sein, bei der das Teil verwendet wird. So wie amorphe Polymere Glühtemperaturen oberhalb ihres Tg nicht standhalten können, können teilkristalline Polymere nicht bei Temperaturen geglüht werden, die ihren kristallinen Schmelzpunkt überschreiten.

Die Glühzeit wird am besten experimentell für eine bestimmte Teilegeometrie ermittelt.

Die Glühzeit wird am besten experimentell für eine bestimmte Teilegeometrie ermittelt. In amorphen Polymeren ist der Test, der verwendet wird, um festzustellen, dass das Ziel des Glühens erreicht wurde, der Lösungsmitteltest, der die Eigenspannung im Teil misst. Bei teilkristallinen Harzen ist der Maßstab die Dimensionsstabilität. Ein ordnungsgemäß geglühtes Teil, das in einem teilkristallinen Material geformt ist, sollte in der Lage sein, einer Zeit-Temperatur-Routine standzuhalten, die für eine Worst-Case-Anwendungsumgebung repräsentativ ist, ohne eine zusätzliche Änderung der Abmessungen zu zeigen.

Ein gutes Beispiel für dieses Prinzip kann für Teile veranschaulicht werden, die für eine Einwirkung einer Temperatur von 85 C (185 F) für Zeiträume von bis zu 8 Stunden ausgelegt sind. Eine Baugruppe, die aus zwei Bauteilen hergestellt wurde, die jeweils bei 70 C (158 F) für 1 Stunde geglüht worden waren, zeigte Dimensionsänderungen bei Einwirkung der Anwendungsbedingungen. Diese Änderungen führten dazu, dass die Teile beim Betrieb der Baugruppe gebunden wurden, wodurch sie nicht funktionsfähig waren. Das Glühen bei 110 C für den gleichen Zeitraum von 1 Stunde führte zu Baugruppen, die nach Exposition gegenüber der Anwendungsumgebung keine Funktionsänderung zeigten.

Die Glühtemperaturen für viele teilkristalline Polymere sind hoch genug, um andere potenziell schädliche Auswirkungen auf das Polymer zu erzeugen. Zum Beispiel ist der Mittelpunkt zwischen dem Tg und dem Tm von Nylon 66 160 C (320 F). Bei dieser Temperatur kann Nylon schnell oxidieren. Dies kann zu einer Änderung der Farbe des Materials führen, vor allem aber zu einem dauerhaften Verlust der mechanischen Eigenschaften, insbesondere derjenigen, die mit der Duktilität verbunden sind. Folglich wird das Glühen für Materialien wie Nylons am besten entweder in einer inerten Atmosphäre, unter Vakuum oder in einer Flüssigkeit durchgeführt, die als Sauerstoffbarriere wirkt und die Eigenschaften des Materials nicht verändert. Zum Beispiel können Nylonteile in heißem Mineralöl geglüht werden, um Oxidation zu verhindern und die Wärmeübertragung zu verbessern. Da Mineralöl unpolar ist, absorbiert das Nylon das Öl nicht und es werden keine plastifizierenden Effekte beobachtet.

Das Glühen in teilkristallinen Materialien wird idealerweise durchgeführt, um die Struktur eines bereits nach optimalen Verfahren geformten Teils zu perfektionieren. Einige Verarbeiter verwenden jedoch die Glühstrategie, um die Anforderungen der hohen Formtemperaturen zu vermeiden, die für die ordnungsgemäße Kristallisation von Hochleistungsmaterialien wie PPS, PEEK und PPA erforderlich sind. Dies kann schwerwiegende Mängel in der Teileperformance und erhebliche Schwierigkeiten bei der Prozesskontrolle mit sich bringen. In unserem nächsten Artikel werden wir uns diese Probleme genauer ansehen.

ÜBER DEN AUTOR: Mike Sepe ist ein unabhängiger, globaler Material- und Verarbeitungsberater, dessen Firma Michael P. Sepe, LLC, in Sedona, Arizona, ansässig ist. Er verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, der Konstruktion auf Herstellbarkeit, der Prozessoptimierung, der Fehlerbehebung und der Fehleranalyse. Kontakt: (928) 203-0408 • [email protected] .