聚酰胺酰亚胺注塑加工的退火工艺

聚酰胺酰亚胺的退火技巧

由七部分组成的退火讨论的很后一部分涉及一种高性能材料，这种材料远远先进于时代，是我们行业中很接近热塑性和热固性材料混合体的材料。

在化学上，它被称为聚酰胺-酰亚胺 (PAI)；顾名思义，聚合物主链包含两个不同的官能团。我们熟悉的酰胺是世上上大部分地区称为聚酰胺的材料家族，在北美称为尼龙。

酰亚胺结构对于在高性能复合材料领域工作的人来说是熟悉的。它通常被认为属于聚合物家族的热固性方面。

 

在过去的 20 年里，聚酰亚胺已经发展成为热塑性塑料，可以通过注塑成型等方法进行熔融加工。

大约 40 年前，聚醚酰亚胺 (PEI) 的诞生是为了弥合工程聚合物系列与高性能材料之间的差距。随着时间的推移，这种化学性质已经得到改进，

以生产出玻璃化转变温度高于原始 PEI 的无定形材料。但是，PAI 很初以商标 Torlon 为人所知，在 1970 年代初期实现了商业化，当时工程聚合物的想法还很新。

Torlon 的性能远远超过当时可用的其他其他高性能热塑性塑料，而当涉及到无定形热塑性塑料时，该系列材料的性能仍然超过其他其他可熔融加工的材料。

 

用于展示该材料机械和热性能的新颖应用之一是被称为 Polimotor 的赛车发动机。该发动机广泛使用了 PAI 生产的部件。

该聚合物首先由 Amoco 商业化，在由石化产品和大批量商品聚合物（如 PE 和 PP）组成的产品线中并不合适。

 

此外，几乎总是如此，材料的高性能带来了许多加工挑战。熔融材料的粘度很高，通常高于 700 F (371 C) 的熔体温度。模具温度也升高，通常为 400 F (205 C)。

即使在今天，对于许多处理器来说，这些都是艰难的条件。在 1970 年代，它们几乎闻所未闻。

因此，许多 PAI 原材料在 Amoco 内加工成止推垫圈、轴承以及航空航天和石油勘探组件等部件。注塑机配备的螺杆具有高 L/D 比和低压缩比，以阻止过度剪​​切加热。

他们需要 40,000 psi (275 MPa) 范围内的塑料压力来应对高熔体粘度。

如何对聚酰胺酰亚胺进行退火聚合过程产生了一种具有左下方所示结构的材料。这是材料成型时的状态。

但是为了开发很终用户所依赖的特性，模制部件必须经过后烘烤过程才能实现右下角的结构。

但是，制造符合优良性能的可用部件所面临的挑战超出了成型过程。PAI 具有特别的化学性质，如图 1 所示。聚合过程产生的材料具有左下方所示的结构。

这是材料成型时的状态。但是为了开发很终用户所依赖的特性，模制部件必须经过后烘烤过程才能实现右下角的结构。几乎总是如此，材料的高性能伴随着许多加工挑战。

 

材料的特性在很大程度上取决于其分子的几何形状。对聚合后和后固化结构的检查显示了该几何形状的一些重要变化。

聚合后的材料包含一个六边环，称为芳香环，沿着一个边缘连接到一个开放结构，该结构由四个元素组成，看起来像第二个环的开始。

但是环还没有达到封闭的形式，开放的结构在链条的形状上产生了偏移。

 

后烘烤过程促进了称为酰亚胺化的化学反应。这有效地将第二个环闭合成一个五元单元，并在此过程中“拉直”了链条。

在性能方面，这意味着更高的机械强度和刚度以及更好的耐热性。图 2 显示了模制和烘烤后 PAI 样品的模量与温度的函数图。

后烘烤部件的模量比模制部件的模量高 15% 以上，并且在整个温度范围内保持这一优势。

此外，推动这种材料在很高的温度下工作的高度宣传能力的玻璃化转变温度增加了 75º F (42º C)。

这些材料的数据表上显示的关键性能特征之一是在高达 525 F (274 C) 的温度下保持机械性能。但从这些曲线中可以明白看出，这适用于执行后烘烤的情况。

 

如果我们暂时回到图 1 中的化学结构，我们将看到与适当的后烘烤策略相关的挑战。仔细观察左下角和右下角的结构，您会发现材料的化学性质已被后烘烤过程改变。

开放端之一上的 -OH 基团和连接到聚合材料另一个开放端上氮原子的氢原子已通过闭合第二个环的过程去掉。

 

将这些成分加在一起，你就会得到水，这是在后烘烤过程中产生的，必须从模制部件结构中去掉。在后烘烤过程中，水必须通过零件壁缓慢扩散。

如果这个过程没有完成，就不能达到很好的的特性曲线。但是，如果操作太快，大量的水会释放出来，导致零件出现空隙和起泡，这与对某些热固性塑料进行后固化时可能发生的情况类似。

 

如果后烘烤进行得太快，所有与成型相关的艰苦工作以及已经投入后烘烤过程的其他时间都将丢失。

 

为了调节 PAI 部件中水的演变和释放，后烘烤过程必须在相对较低的温度下开始，然后逐步升高到更高的温度以完成该过程。

在原始文献中，标准建议是在 330 F (165 C) 下保持 24 小时，然后在 475 F (246 C) 下再保持 24 小时，然后在 500 F (260 C) 下再保持 24 小时。

但此例程的细节取决于零件几何形状。如果后烘烤进行得太快，所有与成型相关的艰苦工作以及已经投入后烘烤过程的其他时间都将丢失。

72 小时的三步过程足以满足许多零件的需求。但在某些情况下，可能需要超过两周的后烘烤才能正确完成材料的化学反应并生产出可用的部件。

 

如何对聚酰胺酰亚胺进行退火后烘烤部件的模量比成型部件的模量高 15% 以上，并且在整个温度范围内都保持这一优势。

此外，推动这种材料在很高的温度下工作的高度宣传能力的玻璃化转变温度增加了 75° F。

近年来，Torlon PAI 产品线的当前所有者索尔维特种聚合物公司重新启动了 Polimotor 概念。但是对新一代电机的检查表明，现在凸轮链轮是由 PAI 制成的。

与 1970 年代的 Amoco 不同，Solvay 是一家拥有许多高性能聚合物可供选择的制造商，他们使用半结晶材料（如 PEEK、PPS 和 PPA）制造许多过去由 PAI 生产的组件。

所有这些聚合物的熔点都超过了 PAI 的玻璃化转变温度。 尽管如此，PAI 仍然是一种有趣的材料，能够实现即使是该家族的这些半结晶成员也无法达到的性能水平。

但是您必须愿意为这种性能而努力，而退火过程是其中不可少的一部分。