3부 재료:반결정질 중합체를 위한 어닐링 팁

비정질 폴리머의 어닐링은 일반적으로 성형 공정 동안 달성할 수 있는 수준 이하로 부품의 내부 응력을 줄이기 위해 수행됩니다. 그러나 반결정질 폴리머에서 어닐링의 목적은 정상적인 성형 주기의 매개변수 내에서 실제로 얻을 수 없는 수준의 결정화도를 설정하는 것입니다.

각 반결정질 중합체는 중합체 사슬의 화학 구조에 따라 결정화하는 능력이 있습니다. HDPE는 매우 높은 비율로 효율적인 결정화를 가능하게 하는 유연하고 능률적인 사슬을 가지고 있으며 PEEK와 같은 재료는 가장 신중하게 제어되는 공정 조건에서도 적당한 수준의 결정화도를 얻습니다.

최적의 결정도는 강도, 모듈러스, 크리프 및 피로 저항, 치수 안정성을 포함한 광범위한 특성을 향상시킵니다. 이 마지막 속성은 고온에서 사용되는 부품에서 매우 엄격한 허용 오차를 유지해야 하는 응용 분야에서 매우 중요합니다. 결정화는 냉각 속도에 의해 제어되며 제조 과정에서 빠른 속도로 발생합니다. 최적의 결정화 수준을 달성하려면 금형 온도가 폴리머의 유리 전이 온도 이상으로 유지되어야 합니다. 이것은 결정이 형성되도록 하는 분자 이동성을 촉진합니다.

결정화는 결정 융점 이하 및 유리 전이 온도(T_g ). 예를 들어 PPS를 고려하십시오. PPS의 융점은 280C(536F)이고 T_g 특정 동적 기계적 특성에서 결정할 때 약 130C(266F)입니다. 따라서 적절한 결정화를 보장하기 위해 금형 온도를 설정하기 위한 지침은 최소 135C(275F)입니다. 이 요구 사항에 주의하는 프로세서는 일반적으로 135-150C(275-302F)의 금형 온도를 선택합니다. 그러나 이 매개변수를 적절히 제어하더라도 용융 처리와 관련된 비교적 빠른 냉각 속도와 금형에서 부품이 소비하는 제한된 시간으로 인해 결정 구조 달성이 이론적으로 얻을 수 있는 것의 약 90%로 제한됩니다.

우리는 결정화 속도가 T_g 사이의 전체 온도 범위에서 일정하지 않다는 것을 알고 있습니다. 그리고 T_m (융점. 많은 폴리머에서 결정은 이 두 극단 사이의 대략 중간 온도에서 가장 빠르게 형성됩니다. 따라서 PPS에서 가장 효율적인 결정화 속도를 달성하려면 205C(401F)의 금형 온도를 사용합니다. 유지하기가 더 까다로운 금형 온도이며 이 더 높은 금형 온도에서 생산된 부품과 더 낮은 금형 온도에서 생산된 부품 사이의 기계적 특성 차이가 상대적으로 작습니다. 따라서 일반적인 관행은 더 낮은 금형 온도를 사용하는 것입니다.

그러나 성형 부품이 200C에서 작동해야 하는 경우 이 적용 온도에 노출되면 제품을 사용하는 동안 추가적인 결정화가 발생합니다. 우리는 물질이 결정화됨에 따라 수축한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 현장에서 적절한 치수로 성형된 다음 매우 높은 적용 온도에 노출되는 부품은 사용 중에 크기가 변경될 수 있습니다. 이러한 치수 변경으로 인해 제품에 기능적 문제가 발생하면 사용하기 전에 부품의 치수를 안정화해야 합니다. 이것은 어닐링을 통해 이루어집니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/grieve-858.jpg; maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/grieve-858.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/grieve-858.jpg;maxWidth=360 1x, https:/ /d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/grieve-858.jpg;maxWidth=720 2x"> 목표 어닐링 온도는 종종 T_g 사이의 중간점입니다. 그리고 T_m . 낮은 온도는 더 긴 어닐링 시간이 필요합니다. (사진설명:Grieve Corp.의 어닐링 오븐)

무정형 폴리머에서 어닐링 온도는 T_g에 접근해야 합니다. 폴리머의. 그러나 반결정질 재료를 어닐링할 때 원하는 결과를 얻으려면 어닐링 온도가 T_g를 초과해야 합니다. 폴리머의. 필요한 시간은 무정형 폴리머의 경우와 같이 부품 벽 두께에 따라 다릅니다. 그러나 소요 시간에 영향을 미치는 또 다른 요소는 어닐링 온도입니다.

위에서 언급했듯이 목표 어닐링 온도는 종종 T_g 그리고 T_m . 낮은 온도는 더 긴 어닐링 시간이 필요합니다. 어닐링 온도를 선택하는 또 다른 결정 요소는 적용 시 부품이 노출될 최대 온도입니다. 부품이 200C에서 어닐링되었지만 225C에서 사용되는 경우 어닐링 프로세스 동안 형성되지 않은 새로운 결정이 더 높은 사용 온도에서 형성됩니다. 이렇게 하면 문제가 될 수 있는 추가 치수 변경이 발생합니다. 따라서 어닐링 온도는 부품이 사용될 최대 온도와 같거나 약간 높아야 합니다. 비정질 폴리머가 T_g 이상의 어닐링 온도를 견딜 수 없는 것처럼 , 반결정질 폴리머는 결정질 융점을 초과하는 온도에서 어닐링될 수 없습니다.

어닐링 시간은 특정 부품 형상에 대해 실험적으로 가장 잘 설정됩니다. 비정질 폴리머에서 어닐링의 목적이 충족되었는지 확인하는 데 사용되는 테스트는 부품의 잔류 응력을 측정하는 용매 테스트입니다. 반결정성 수지에서 기준은 치수 안정성입니다. 반결정질 재료로 성형된 적절하게 어닐링된 부품은 치수의 추가 변화 없이 최악의 적용 환경을 나타내는 시간-온도 루틴에 대한 노출을 견딜 수 있어야 합니다.

이 원리의 좋은 예는 최대 8시간 동안 85C(185F)의 온도에 노출되도록 설계된 부품에 대해 설명할 수 있습니다. 각각 70C(158F)에서 1시간 동안 어닐링된 2개의 구성 부품으로 생산된 어셈블리는 적용 조건에 노출될 때 치수 변화를 나타냅니다. 이러한 변경으로 인해 어셈블리가 작동될 때 부품이 바인딩되어 작동하지 않게 되었습니다. 동일한 1시간 동안 110C에서 어닐링한 결과 애플리케이션 환경에 노출된 후에도 기능에 변화가 없는 어셈블리가 생성되었습니다.

최고 예상 사용 온도를 초과하는 어닐링 온도를 선택하는 또 다른 이유가 있습니다. 재료가 고체 상태에 있는 동안 형성되는 결정은 재료가 용융물에서 냉각될 때 형성되는 결정만큼 크거나 완벽하지 않습니다. 결과적으로, 그들은 동일한 특성을 갖지 않으며 재료의 전체 구조에 동일한 이점을 부여하지 않습니다. 특히, 특정 어닐링 온도에서 형성된 결정은 생성된 온도보다 불과 몇 도 높은 온도에서 녹습니다. 따라서 부품의 최대 사용 온도보다 낮은 온도에서 생성된 결정은 해당 노출을 견디지 못하고 유용하지 않습니다.

반결정질 재료의 어닐링 동안 추가적인 수축이 불가피하기 때문에 성형된 부품의 치수는 최종 목표 치수보다 커야 합니다. 이를 위해서는 부품이 어닐링 프로세스를 거친 후 인쇄물을 만날 수 있도록 인쇄물에서 성형해야 할 수 있습니다. 따라서 성형된 치수와 풀림 치수 사이에 관계를 설정하는 것이 중요합니다.

많은 반결정질 폴리머의 어닐링 온도는 폴리머에 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 다른 효과를 생성할 만큼 충분히 높습니다. 예를 들어, T_g 사이의 중간점 그리고 T_m 나일론 66은 160C(320F)입니다. 이 온도에서 나일론은 빠르게 산화될 수 있습니다. 이로 인해 재료의 색상이 변할 수 있지만 더 중요한 것은 기계적 특성, 특히 연성과 관련된 특성이 영구적으로 손실될 수 있다는 것입니다. 결과적으로 나일론과 같은 재료의 경우 어닐링은 불활성 분위기, 진공 또는 산소 장벽 역할을 하고 재료의 특성을 변경하지 않는 유체에서 가장 잘 수행됩니다. 예를 들어, 나일론 부품은 산화를 방지하고 열 전달을 개선하기 위해 뜨거운 광유에서 어닐링될 수 있습니다. 미네랄 오일은 비극성이므로 나일론이 오일을 흡수하지 않고 가소화 효과가 관찰되지 않습니다.

반결정질 재료의 어닐링은 최적의 절차에 따라 이미 성형된 부품의 구조를 완벽하게 하기 위해 이상적으로 수행됩니다. 그러나 일부 프로세서는 PPS, PEEK 및 PPA와 같은 고성능 재료를 적절하게 결정화하는 데 필요한 높은 금형 온도 요구를 피하기 위해 어닐링 전략을 사용합니다. 이것은 부품 성능의 심각한 결함과 공정 제어의 심각한 어려움을 초래할 수 있습니다. 다음 기사에서는 이러한 문제를 더 자세히 살펴볼 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].