재료 파트 5:가교 중합체를 위한 어닐링 팁

어닐링이 중합체의 결정 구조를 완성하기 위해 반결정성 열가소성 수지에서 사용되는 것처럼, 동일한 공정을 사용하여 성형 주기의 맥락에서 달성할 수 없는 열경화성 중합체의 가교 수준을 얻을 수 있습니다. 증가된 가교 수준과 관련된 속성 변화는 여러 면에서 증가된 결정도와 관련된 변화와 매우 유사합니다.

그러나 결정화 및 가교결합은 동일한 처리 및 후처리 영향에 반응하지만 근본적으로 다른 프로세스입니다. 열가소성 플라스틱은 처리 공장에 도착하기 전에 유용한 사슬 길이로 제작되었으며 온도가 떨어지면 용융물에서 자발적으로 결정화가 발생합니다. 냉각 과정의 어느 시점에서 우리는 재료의 화학적 성질과 주변 압력 또는 적용된 압력의 함수인 재료 구조의 급격한 변화를 관찰합니다.

임계점에 도달하면 재료가 유리 전이 온도 이상으로 유지되는 한 결정화 프로세스가 계속됩니다. 그 온도(T_g )은 분자량이 유용한 기계적 특성과 연관될 만큼 충분히 높기 때문에 추가 결정화를 촉진하는 데 필요한 어닐링 조건을 예측할 수 있는 한 기본적으로 주어진 중합체에 대해 일정합니다.

가교결합된 물질은 재공품으로 처리 공장에 도착합니다. 재료의 화학적 성질은 중합이 실제로 시작되기 전에 중단된 화학 반응을 통해 확립되었으며, 이러한 상태는 종종 "예비 중합체"라고 합니다. 이 물질은 완전히 발달된 폴리머를 만들기 위해 추가 반응을 겪을 수 있습니다. 이러한 반응은 고온에 의해 촉진되며 예비 중합체의 일부인 반응성 그룹과 촉매의 존재에 의존합니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials1.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials1.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials1.jpg;maxWidth=360 1x, https://d2n4wb9orp1vta .cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials1.jpg;maxWidth=720 2x"> 약 30°C의 Tg 증가는 베이킹 후 약 18시간 내에 달성할 수 있습니다. 그러나 동일한 규모의 추가 증가는 여기에 설정된 모델에 따라 146시간이 필요합니다. (출처:플렌코)

최초의 진정한 합성 폴리머인 페놀은 이 재료 계열의 잘 알려진 구성원입니다. 이 물질은 페놀과 포름알데히드의 반응에서 시작됩니다. 반응의 초기 단계가 진행됨에 따라 생성물의 점도가 증가하고 어느 시점에서 접착제로 유용할 수 있는 끈적끈적한 물질이 될 수 있습니다. 이 과정을 계속하면 상대적으로 녹는점이 낮은 고체가 될 수 있다. 그런 다음 이를 분쇄하고 촉매 및 적절한 충전제와 결합하면 성형 수지가 됩니다.

이 형태의 재료는 용융 또는 연화 온도가 낮고 T_g가 훨씬 더 낮습니다. . 그러나 이 재료가 일반적으로 가열된 주형에 의해 제공되는 고온에 노출되면 화학 반응이 중합 과정을 계속하여 이미 형성된 사슬 사이에 가교를 형성하고 이러한 사슬을 확장하여 중합체의 분자량을 증가시킵니다. . 이것은 열경화성 재료의 중합에 대해 지나치게 단순화된 설명입니다.

그러나 이 논의의 주요 관심사는 부품을 형성하는 과정에서 완성된 재료도 생성한다는 사실입니다. 부품의 특성은 확립된 가교 정도에 따라 크게 달라지며, 이는 차례로 부품이 금형에 있는 시간과 금형 온도에 의해 결정됩니다. 이상적으로는 금형에서 나오는 부품이 T_g가 높은 재료로 구성됩니다. 이는 가교 정도와 관련이 있습니다.

그러나 성형업자가 반결정질 열가소성 수지에서 원하는 모든 결정도를 달성하지 못할 수 있는 것처럼 할당된 사이클 시간 내에 열경화성 중합체에서 원하는 모든 가교를 달성하지 못할 수도 있습니다. 이 경우 가교도를 높이기 위해 어닐링을 한다. 업계 용어로 이를 포스트 베이킹이라고 합니다. 포스트베이킹의 이면에 있는 아이디어는 성형 주기 시간을 연장하거나 더 높은 금형 온도에 의존하지 않고도 가교결합 정도를 더 높은 수준으로 끌어올리는 것입니다. 이는 축합 메커니즘으로 알려진 과정을 통해 가교결합되는 페놀계 및 폴리이미드와 같은 중합체에 특히 유용합니다. 이러한 유형의 재료는 사후 베이킹과 관련된 고온의 영향으로 상당한 정도로 추가 가교를 겪을 수 있습니다.

열경화성 폴리머에서 더 높은 수준의 가교를 달성하기 위한 사후 베이킹의 이점은 반결정질 열가소성 수지를 어닐링하여 얻은 이점과 유사합니다. 기계적 강도와 모듈러스가 증가하고 이러한 변화로 인해 크리프 및 피로 저항이 향상됩니다. 고온에서 치수 안정성도 향상되지만 연성은 감소합니다. 그리고 반결정질 열가소성 수지를 어닐링하는 동안 치수 변화에 문제가 있을 수 있는 것처럼 포스트베이킹에서도 동일한 문제가 발생할 수 있습니다.

반결정질 열가소성 수지의 경우 성형 과정에서 결정도가 너무 적게 얻어지면 어닐링으로 그 차이를 메우려는 시도가 수축과 뒤틀림과 같은 관리할 수 없는 문제를 초래할 수 있다는 사실을 언급했습니다. 일부 가교된 재료에서 발생할 수 있는 추가 문제는 부품의 기포입니다. 이는 축중합 반응에서 자연적으로 생성되는 휘발성 부산물에 의해 발생합니다. 베이킹 후 페놀릭의 경우 방출되는 화합물은 암모니아입니다. 암모니아가 부품의 벽을 통해 충분히 빠르게 확산되지 않으면 부품에 왜곡이 발생합니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:1000px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg;maxWidth=700 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg 2x"> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg;maxWidth=360 1x, https://d2n4wb9orp1vta .cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/0820ptkhmaterials2.jpg;maxWidth=720 2x"> 이 그래프는 금형 온도와 부품의 폴리머 Tg 사이의 연결을 보여줍니다. 금형 온도가 높을수록 원하는 수준의 성능을 달성하기 위해 사후 베이킹에서 수행해야 하는 작업이 줄어듭니다. (출처:플렌코)

포스트 베이킹에 필요한 시간은 목적에 따라 다릅니다. 반결정질 열가소성 수지를 어닐링하는 공정과 달리 가교결합된 물질을 사후 베이킹하는 중요한 결과 중 하나는 T_g의 증가입니다. . 이 증가는 시간과 온도에 따라 달라지며 관계는 비선형적입니다. 따라서 재료, 금형에서 꺼낼 때의 상태, 응용에 필요한 성능을 이해하는 것이 중요합니다. 반결정질 폴리머에서 결정의 어닐링과 열경화성 폴리머의 가교 밀도 증가 사이의 또 다른 주요 차이점은 반결정질 열가소성 수지에서 어닐링 온도가 T_g를 초과해야 한다는 것입니다. 폴리머의. 열경화성 수지의 경우 반드시 그렇지는 않습니다. 성형 T_g 상태의 페놀 수지 175C의 C는 160C에서 포스트 베이크될 수 있고 T_g 증가할 것입니다.

그림 1은 시간과 T_g의 상승 사이의 관계를 보여줍니다. Plenco의 Ted Morrison이 수행한 작업에서 가져온 페놀성 물질입니다. 이것은 T_g 약 30°C의 온도는 약 18시간 후 베이킹에 도달할 수 있습니다. 그러나 동일한 규모의 추가 증가는 그래프에 설정된 모델에 따라 146시간이 필요합니다. 더 높은 베이킹 후 온도를 사용할 수 있지만, 이는 기포 및 뒤틀림 문제의 위험이 있습니다.

대안은 지금까지 논의한 모든 재료의 경우와 마찬가지로 더 높은 금형 온도를 사용하여 성형 공정 중에 부품에서 더 많은 구조를 개발하는 것입니다. 그림 2는 금형 온도와 T_g 사이의 관계를 만드는 Morrison의 연구에서 얻은 또 다른 결과를 보여줍니다. 부품의 폴리머. 금형 온도가 높을수록 원하는 수준의 성능을 달성하기 위해 사후 베이킹에서 수행해야 하는 작업이 줄어듭니다.

다음 칼럼에서는 비교적 짧은 시간에 몇 가지 놀라운 이점을 얻을 수 있는 열가소성 폴리우레탄의 어닐링 방식을 검토할 것입니다.

저자 소개:Mike Sepe 애리조나주 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].