자료 1부:어닐링이 공정에 할 수 있는 일

플라스틱이 있기 오래 전에 어닐링 과정이 있었습니다. 금속 산업, 특히 철강 산업은 재료를 제어된 가열 및 냉각에 노출시키는 후속 공정을 수행하면 재료의 경도가 감소하고 연성이 증가하며 내부 응력이 감소한다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 재료의 미세 구조도 변경됩니다. 구리 및 황동과 같은 기타 금속 재료도 이점을 얻을 수 있습니다.

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어닐링은 비정질 재료의 응력을 완화하고 반결정성 수지의 결정도를 높일 수 있습니다. (사진설명:Grieve Corp.의 어닐링 오븐)

플라스틱 어닐링은 대부분의 제조 공정에서 수행되지 않습니다. 예외가 있습니다. 솔리드 로드, 두꺼운 벽 튜브 및 시트와 같은 상당한 두께의 제품은 종종 기계 가공을 위한 준비 단계로 어닐링됩니다. 이것은 재료의 구조를 안정화하고 내부 응력을 줄이기 위해 수행되며, 이는 금속 재료에서 프로세스가 수행되는 것과 같은 이유입니다. 용융 가공으로 제조된 모든 제품에서 이러한 공정과 관련된 비교적 빠른 냉각 속도는 일정 수준의 내부 응력과 평형 상태에서 이탈을 유발합니다. 이것이 사용 시 기능적 문제를 일으키는 내부 응력 수준을 생성하는 경우 처리 중에 달성할 수 없는 수준으로 응력을 줄이기 위해 어닐링을 수행할 수 있습니다.

어닐링의 근거와 어닐링이 재료에 미치는 영향은 어닐링되는 폴리머에 따라 크게 달라집니다. 비결정질 폴리머의 목적은 내부 응력을 줄이는 것입니다. 냉각 속도의 중요성에 적절한 주의를 기울이는 잘 제어된 공정에서 생산되는 부품에는 1000psi 미만의 내부 응력이 포함될 수 있습니다. 그러나 빠르게 냉각되는 부품은 2~3배 더 높은 내부 응력을 나타낼 수 있습니다. 내부 응력이 높을수록 제품이 실패 없이 외부 응력을 관리하는 능력이 떨어집니다. 또한 높은 수준의 내부 응력을 포함하는 부품의 고장은 부서지기 쉽습니다.

애플리케이션에 높은 수준의 외부 응력이 포함될 것으로 예상되지 않더라도 높은 내부 응력은 환경 응력 균열(ESC)에 대한 민감성을 증가시킬 수 있습니다. 비정질 폴리머는 특정 화학 작용제에 노출되면 특히 ESC를 나타낼 가능성이 있습니다. 이러한 화학 약품은 용제, 가소제, 세척제, 방청제 및 접착제로 존재할 수 있으며 무정형 중합체와 이러한 유체의 장기간 접촉은 ESC 실패를 초래할 수 있습니다. 이러한 유형의 환경에서 어닐링은 성공과 실패를 가를 수 있습니다.

반결정질 폴리머에서 어닐링의 목적은 근본적으로 다릅니다. 반결정성 폴리머는 결정성에서 발생하는 기계적 및 열적 특성 때문에 사용됩니다. 결정화도는 강도, 모듈러스, 유리 전이 온도 이상의 기계적 특성 유지, 내화학성, 피로 및 크리프 저항성, 마찰 특성과 같은 특성을 결정합니다. 비정질 폴리머의 내부 응력이 냉각 속도를 늦추면 최소화되는 것처럼 반결정질 폴리머의 결정도는 최대화됩니다. 재료가 냉각되는 속도를 늦춤으로써.

그러나 최상의 상황에서도 용융 처리와 관련된 냉각 속도는 달성 가능한 결정도의 약 90%를 소유한 부품을 생성합니다. 대부분의 경우 이것으로 충분합니다. 그러나 그렇지 않은 경우에는 추가 10%를 제공하기 위해 어닐링이 수행됩니다.

결정 형성의 기회는 폴리머의 녹는점보다 낮고 유리 전이 온도(T_g ). 결과적으로 어닐링 온도는 T_g 이상이어야 합니다. 원하는 결과를 얻기 위해. 최적의 결정화 속도는 일반적으로 융점과 T_g 사이의 중간점 근처에서 얻습니다. . 예를 들어 나일론 66, T_g 60C(140F) 및 260C(500F)의 녹는점은 약 160C(320F)에서 가장 효율적으로 어닐링됩니다.

가교결합된 물질에서 어닐링 공정은 반결정성 열가소성 수지를 지배하는 것과 유사한 이유로 수행됩니다. 성형 공정이 가능한 최고 수준의 결정화를 달성하기 위해 고군분투하는 것처럼 일반적으로 최적의 가교 수준을 달성하지 못합니다. 이것은 주기 시간을 연장하여 달성할 수 있지만 경제성은 종종 이러한 접근 방식을 선호하지 않으며 성형 후에 많은 수의 부품을 재가열하는 것이 더 효율적입니다. 열경화성 산업에서 이는 일반적으로 사후 베이킹이라고 하며 페놀 및 폴리이미드와 같은 폴리머에서 가장 자주 수행됩니다.

그러나 업계의 많은 실무자들도 불포화 폴리에스터, 에폭시 및 실리콘에 이 작업을 수행하는 데 이점이 있음을 발견했습니다. 후 베이킹 공정이 재료의 가교 밀도를 효과적으로 향상시키려면 베이킹 공정의 온도가 T_g를 초과해야 합니다. 성형 부품의 폴리머. 이후 기사에서 볼 수 있듯이 최적의 특성을 얻기 위해 사후 베이킹이 필요한 일부 열가소성 수지도 있습니다.

일부 엘라스토머는 베이킹 또는 어닐링 공정의 이점도 있습니다. 반결정질 열가소성 수지 및 경질 가교 중합체와 마찬가지로 목적은 내부 응력의 감소가 아니라 기계적 및 열적 성능을 향상시키는 구조적 재배열입니다. 이 공정은 폴리우레탄과 같은 열가소성 엘라스토머에 유용할 수 있으며 실리콘 고무와 같은 가교 시스템에서 성능을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이 프로세스는 고온에 장기간 노출되는 애플리케이션에서 최적의 성능을 제공하는 데 특히 유용합니다.

이러한 공정이 원하는 결과를 얻으려면 어닐링 또는 후 베이킹 온도 및 시간의 특정 조건이 중요합니다. 이러한 경우 중 일부에서는 가열 프로세스가 완료된 후 냉각 속도가 동등하게 중요합니다. 이 냉각 프로세스를 관리하지 못하면 어닐링이 원하는 결과를 얻지 못하는 경우가 많습니다. 이것은 종종 간과되는 매개변수입니다.

이 시리즈의 후속 기사에서는 비정질 열가소성 수지, 반결정성 열가소성 수지, 가교 재료 및 엘라스토머와 관련된 다양한 요구 사항에 대해 논의할 것입니다. 또한 의도하지 않은 부정적인 결과를 초래하지 않고 긍정적인 결과를 달성하기 위해 이 프로세스의 한계에 대해 논의할 것입니다.

저자 소개: 마이크 세프 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].