PPS,PEEK,PPA,PET等工程塑料半結晶退火工藝
來源：無錫市達塑凱新材料
半結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晶材料的高溫模具.但這是有風險的,并且可能會產生低于預期的零件……假設它們從退火過程中出現(xiàn),看起來像圖紙一樣.
高性能半結晶聚合物通常具有高玻璃化轉變溫度.這導致需要高模具溫度以確保在零件中建立適當?shù)慕Y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 200 C (392 F) 的模具溫度,以便達到想要的結構.一些 PET 供應商開發(fā)了成核技術,
允許開發(fā)適當水平的結晶度,同時仍然使用傳統(tǒng)水加熱可以達到的模具溫度.
就 PPA 而言,幾乎所有此類材料的供應商都開發(fā)了快速結晶等級,作為對模具溫度要求更高的原始材料的替代品.然而,這種改進是通過控制聚合物的化學性質來實現(xiàn)的,
從而下降玻璃化轉變溫度 (T g ).這是材料供應商忽略的事情,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零件,但后面用戶可能不會那么熱情.
下圖顯示了高性能 PPA 和快速結晶等級的模量與溫度的函數(shù)圖.快速結晶等級犧牲了超過 50º C (90º F) 的性能.這是我們在塑料世上中看到的可加工性和性能之間不斷權衡的很好例證.
如果對材料進行更改以使處理器更輕松,則幾乎肯定會下降現(xiàn)場性能.
反之亦然,對于大多數(shù)高性能半結晶材料,實現(xiàn)很佳結構需要使用傳統(tǒng)熱水器無法達到的模具溫度.相反,需要加壓水、油或加熱器筒.這可能是某些處理器進入的重大障礙.
因此,一些加工商試圖將所需的大部分結晶度退火到零件中.他們沒有使用退火工藝來產生可實現(xiàn)的很后 10% 的結晶度,而是在低模具溫度下運行材料,這基本上會導致無定形結構,
然后在零件成型后烘烤晶體結構.
雖然這在某些情況下可能有效,但這是一種充滿缺點的方法.這些可以通過說明當想要半結晶的材料在無定形狀態(tài)下成型并隨后結晶時在結構上發(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晶結構.事實上,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%.半結晶形式的未填充 PEEK 收縮約 1.5%.
這可能會導致處理器尋求在 PEEK 的晶體結構中退火,以計算出在退火過程中成型零件的尺寸將減少大約 1%.然而,無定形和半結晶形式之間的密度差異表明體積變化超過 3%.
半結晶聚合物的退火技巧如圖所示,快速結晶等級犧牲了超過 50°C 的性能,說明了我們在塑料世上中看到的可加工性和性能之間的持續(xù)權衡.
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算的.
當材料在模具中冷卻時,我們繼續(xù)施加壓力以補償如果零件在不受約束的狀態(tài)下冷卻會發(fā)生的相對較大的體積變化.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施加壓力的能力,我們對材料收縮方式的體驗將大不相同.
退火在不受約束的環(huán)境中進行.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驗所預期的要大得多.
此外,在相對較低的模具溫度下成型的零件將在其結構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構,并且在退火過程中,
模內應力趨于松弛.這經常導致翹曲.
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驗所預期的要大得多.
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）來糾正半結晶材料的長連接器中的翹曲問題.客戶收到零件后,
立及時它們放入 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還要嚴重.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)場達到工作溫度時會發(fā)生什么情況,而一旦部件達到現(xiàn)場工作溫度,他們?yōu)榧m正翹曲問題而控制的結晶度無論如何都會發(fā)生.設備.
退火大部分或全部晶體結構的很后一個問題可以追溯到我們在上一篇文章中提到的問題：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,退火的晶體會在略高于它們產生時的溫度下熔化.再次考慮 PEEK.PEEK 的常見退火程序是暴露于 200 C (392 F) 2 小時.
該溫度遠高于聚合物的 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結晶度.
但是考慮一個在本質上處于無定形狀態(tài)的部件.在 200 攝氏度退火時,假設零件仍處于可識別的形式,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 343 C (649 F) 相去甚遠.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 260 C (500 F).
因此,雖然在技術上可以放棄通常與加工高性能半結晶材料的很佳實踐相關的升高的模具溫度,但這是很危險的,并且可能會產生明白低于預期的零件 -
假設它們從退火中出來過程看起來像圖紙.在我們的下一個專欄中,我們將把退火討論擴展到它在交聯(lián)材料中的應用.
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