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재료:비정질 중합체를 위한 어닐링 팁, 2부

지난 달 1부에서 간략하게 논의한 바와 같이 비정질 폴리머는 환경 응력 균열(ESC)에 의해 파손되기 쉽습니다. 우리는 이 메커니즘이 본질적으로 작은 결함이 생성된 영역에서 폴리머를 국부적으로 가소화하는 화학 물질의 존재에 의해 가속화되는 기계적 고장이라고 이해합니다.

결함은 금속 조각이나 탄소 숯과 같은 내포물일 수도 있고 우발적인 손상으로 인해 생긴 노치일 수도 있습니다. 또한 날카로운 모서리 또는 국부적으로 상승된 응력 수준을 생성하는 부품의 벽 두께의 급격한 변화와 같은 설계 결함 때문일 수도 있습니다. 또는 성형 조건으로 인한 높은 수준의 내부 응력으로 인해 촉진될 수 있습니다. 높은 수준의 내부 응력은 폴리머의 급속 냉각으로 인해 발생합니다.

급속 냉각을 포함하는 처리 전략은 단기 특성, 특히 연성에 영향을 줄 수 있습니다. ABS 및 PC와 같은 많은 비결정질 폴리머는 우수한 인성 때문에 많은 부분에 사용되기 때문에 이는 우려되는 사항입니다. 그림 1은 ABS의 내충격성에 대한 용융 및 금형 온도의 영향에 대한 연구 결과를 보여줍니다. 이것은 성형된 시편이 금형 온도가 상대적으로 낮게 설정되었을 때 매우 낮은 파괴 에너지를 나타냄을 보여줍니다. 금형 온도가 증가함에 따라 내충격성이 극적으로 증가합니다.

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그림 1 성형된 시편은 금형 온도가 상대적으로 낮게 설정될 때 매우 낮은 파괴 에너지를 나타냅니다. 금형 온도가 증가함에 따라 내충격성이 극적으로 증가합니다.

그러나 높은 금형 온도에서도 사출 성형 공정 중 폴리머의 냉각 속도는 150-300°C/min(270-540°F/min) 정도입니다. 이러한 급격한 온도 변화로 인해 어느 정도의 내부 응력은 불가피합니다. 적용 환경이 상승된 온도, 연장된 수명, 비례 한계를 초과할 수 있는 응력, 특정 화학 물질에 대한 노출의 일부 조합을 포함하는 상황에서는 비교적 낮은 수준의 내부 응력으로도 ESC로 인한 조기 고장이 발생할 수 있습니다. 고장 분석 메타 연구에 따르면 ESC는 플라스틱 부품의 현장 고장의 주요 원인이며 이 고장 모드는 주로 비정질 폴리머에 영향을 미칩니다.

비정질 폴리머에서 어닐링은 내부 응력을 정상적인 성형 공정 조건에서 달성할 수 없는 수준으로 낮추기 위해 수행됩니다. 원하는 결과를 얻는 데 중요한 몇 가지 매개변수가 있습니다. 첫 번째는 어닐링 공정의 온도입니다. 일반적으로 권장되는 어닐링 온도는 유리 전이 온도(Tg ) 폴리머. 이것은 시차 주사 열량계(DSC) 또는 동적 기계 분석(DMA)과 같은 분석 기술로 쉽게 측정할 수 있습니다. DMA는 폴리머의 물리적 특성을 측정할 수 있는 이점이 있으므로 부품의 내부 응력을 완화하는 데 사용할 수 있는 온도 범위에 대한 더 많은 정보를 제공합니다.

그림 2는 일반적인 PC에 대한 온도 함수로서의 탄성 계수 플롯을 제공합니다. Tg 폴리머의 탄성 계수가 140-155C(284-311F)의 매우 좁은 온도 범위에서 급격히 감소하는 온도 영역에서 발생합니다.

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그림 2 유리 전이 온도는 폴리머의 탄성 계수가 140-155C(284-311F)의 매우 좁은 온도 범위에서 급격히 감소하는 온도 영역에서 발생합니다.

폴리카보네이트에 대한 적절한 어닐링 온도 권장 사항은 121C(250F)와 135C(275F) 사이입니다. 이 온도는 Tg에 가깝습니다. 그러나 부품의 변형을 방지하기 위해 모듈러스의 급격한 감소가 시작되는 시점보다 낮게 유지됩니다. 목적은 부품 왜곡이나 과도한 치수 변화를 일으키지 않고 가능한 한 이 시작에 가까운 온도를 사용하는 것입니다. 이는 게이트 주변 영역과 같이 왜곡에 가장 취약한 영역에 제공될 수 있는 부품 형상 및 지지 수준에 따라 다소 달라집니다.

두 번째로 중요한 매개변수는 어닐링 시간입니다. 이것은 부품 두께에 따라 달라집니다. 플라스틱은 상대적으로 열전도율이 낮기 때문에 부품이 전체적으로 균일한 온도가 되도록 해야 합니다. 일반적인 권장 사항은 부품이 원하는 온도에 도달하면 최소 30분에 5분/mm(0.040인치)의 벽 두께를 더하는 것입니다. 단면이 6mm(0.250인치)보다 두꺼운 부품의 경우 이 시간을 두 배로 늘리면 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 적절한 시간 동안 균일한 온도에 도달하고 유지하기에 충분한 시간을 제공하지 않으면 실제로 내부 응력 수준이 증가할 수 있습니다.

아마도 어닐링과 관련된 가장 중요한 조건은 온도 변화율, 특히 냉각 과정에서 발생하는 변화율일 것입니다. 이상적으로는 부품을 실온에서 어닐링 온도까지 50° 90° 시간당 50°C/hr(90° F/hr) 이하의 속도로 가열해야 합니다. 그러나 결과에 가장 큰 영향을 미치는 것은 어닐링 프로세스의 쿨다운 부분입니다. 여기서도 구체적인 권장 사항은 다양합니다.

그러나 부품의 온도가 60-65C(140-149F)에 도달할 때까지 냉각 속도가 25C/hr(45F/hr)보다 빠르지 않은 것이 좋은 지침입니다. 일부 부품은 5° C/hr(9° F/hr)만큼 느린 속도로 냉각해야 할 수도 있습니다. 불만족스러운 어닐링 결과를 초래하는 가장 흔한 실수는 너무 빨리 냉각되는 것입니다. 규정된 어닐링 시간이 완료되는 즉시 부품이 오븐에서 제거되는 경우가 많습니다. 부품은 어닐링 온도에서 실온으로 빠르게 냉각되어 어닐링 프로세스에서 수행한 모든 작업을 취소합니다.

어닐링 공정의 효능에 대한 궁극적인 테스트는 용매 응력-균열 평가입니다. 각 폴리머에는 내부 응력의 특정 임계값을 목표로 하는 화학 물질 또는 화학 물질의 혼합물이 있습니다. 종종 이 접근 방식은 두 물질의 혼합물을 포함합니다. 하나는 불활성 성분으로 작용하고 다른 하나는 응력 균열을 촉진하는 활성 성분입니다. 혼합물에서 이 두 성분의 비율을 변경하여 목표 임계값 응력을 조정하여 부품의 응력을 정확하게 측정할 수 있습니다.

예를 들어 ABS는 에틸 아세테이트와 같은 아세테이트와 에탄올과 같은 알코올의 혼합물을 사용합니다. 응력 균열을 유발하는 데 필요한 아세테이트 농도가 높을수록 부품의 내부 응력이 낮아집니다. 폴리카보네이트에서도 동일한 접근 방식이 사용됩니다. 그러나 폴리카보네이트의 경우 혼합물은 n-프로판올과 톨루엔 중 하나입니다. 부품을 혼합물에 규정된 시간 동안 담그고 제거하고 헹구고 균열 여부를 평가합니다. 관찰된 균열의 위치는 높은 수준의 응력이 형성되기 쉬운 부품 영역을 식별하는 데 도움이 됩니다.

다른 접근 방식은 단일 시약을 사용하며 응력 균열을 생성하는 데 필요한 침지 시간은 부품의 내부 응력과 관련이 있습니다. 예를 들어, 폴리카보네이트는 프로필렌 카보네이트를 사용하여 테스트할 수 있습니다. 부품의 내부 응력 수준은 부품이 유체에 잠긴 시간의 함수입니다. 어떤 방법을 사용하든 효과적인 어닐링 프로세스는 측정된 임계값 응력을 현저하게 감소시킵니다.

반결정질 폴리머의 어닐링은 완전히 다른 이유로 수행됩니다. 다음 부분에서 우리는 이 과정과 이러한 종류의 폴리머를 어닐링하는 것을 최대한 활용하기 위한 지침에 대해 논의할 것입니다.

저자 소개 Mike Sepe 아리조나주 세도나에 본사를 둔 Michael P. Sepe, LLC가 있는 독립적인 글로벌 재료 및 가공 컨설턴트입니다. 그는 플라스틱 산업에서 40년 이상의 경험을 갖고 있으며 재료 선택, 제조 가능성, 프로세스 설계에 있어 고객을 지원합니다. 최적화, 문제 해결 및 실패 분석. 연락처:(928) 203-0408 • [email protected].


수지

  1. 자료 1부:어닐링이 공정에 할 수 있는 일
  2. 3부 재료:반결정질 중합체를 위한 어닐링 팁
  3. 재료 파트 5:가교 중합체를 위한 어닐링 팁
  4. 건축 프로젝트의 물류 관리를 위한 3가지 팁
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