PPS,PEEK,PPA,PET等工程塑料半结晶退火工艺
半结晶聚合物的退火技巧
您可以放弃通常推荐用于高性能半结晶材料的高温模具.但这是有风险的,并且可能会产生低于预期的零件……假设它们从退火过程中出现,看起来像图纸一样.
高性能半结晶聚合物通常具有高玻璃化转变温度.这导致需要高模具温度以确保在零件中建立适当的结晶度水平.PPS、PEEK、PPA、SPS 等聚合物,
甚至一些 PET 聚酯都属于这种高性能类别,其中需要至少 120 C (248 F) 和高达 200 C (392 F) 的模具温度,以便达到想要的结构.一些 PET 供应商开发了成核技术,
允许开发适当水平的结晶度,同时仍然使用传统水加热可以达到的模具温度.
就 PPA 而言,几乎所有此类材料的供应商都开发了快速结晶等级,作为对模具温度要求更高的原始材料的替代品.然而,这种改进是通过控制聚合物的化学性质来实现的,
从而下降玻璃化转变温度 (T g ).这是材料供应商忽略的事情,虽然成型商可能很高兴能够在不诉诸模具温度的情况下生产零件,但后面用户可能不会那么热情.
下图显示了高性能 PPA 和快速结晶等级的模量与温度的函数图.快速结晶等级牺牲了超过 50º C (90º F) 的性能.这是我们在塑料世上中看到的可加工性和性能之间不断权衡的很好例证.
如果对材料进行更改以使处理器更轻松,则几乎肯定会下降现场性能.
反之亦然,对于大多数高性能半结晶材料,实现很佳结构需要使用传统热水器无法达到的模具温度.相反,需要加压水、油或加热器筒.这可能是某些处理器进入的重大障碍.
因此,一些加工商试图将所需的大部分结晶度退火到零件中.他们没有使用退火工艺来产生可实现的很后 10% 的结晶度,而是在低模具温度下运行材料,这基本上会导致无定形结构,
然后在零件成型后烘烤晶体结构.
虽然这在某些情况下可能有效,但这是一种充满缺点的方法.这些可以通过说明当想要半结晶的材料在无定形状态下成型并随后结晶时在结构上发生的情况来理解.
PEEK 是一种很好的材料示例,它可以根据材料的冷却速度制成无定形或半结晶结构.事实上,一些未填充 PEEK 的数据表给出了材料的非晶态和半晶态的密度.作为半结晶材料,
密度为 1.30 g/cm 3.以无定形形式为 1.26 g/cm 3.
我们大多数人都知道半结晶聚合物比无定形材料从模具中收缩得更多.未填充的无定形聚合物的典型模具收缩值为 0.005 mm/mm 或约 0.5%.半结晶形式的未填充 PEEK 收缩约 1.5%.
这可能会导致处理器寻求在 PEEK 的晶体结构中退火,以计算出在退火过程中成型零件的尺寸将减少大约 1%.然而,无定形和半结晶形式之间的密度差异表明体积变化超过 3%.
半结晶聚合物的退火技巧如图所示,快速结晶等级牺牲了超过 50°C 的性能,说明了我们在塑料世上中看到的可加工性和性能之间的持续权衡.
我们中的许多人忘记了模具收缩值是根据零件在显着压力下成型后的收缩方式来计算的.
当材料在模具中冷却时,我们继续施加压力以补偿如果零件在不受约束的状态下冷却会发生的相对较大的体积变化.无定形聚合物的成型收缩率通常约为 0.5%,
但我们知道无定形聚合物的熔体密度比固体材料的熔体密度低约 10%.如果没有模具的限制以及在材料冷却时施加压力的能力,我们对材料收缩方式的体验将大不相同.
退火在不受约束的环境中进行.因此,零件在退火过程中将表现出的尺寸变化将比我们作为加工商的经验所预期的要大得多.
此外,在相对较低的模具温度下成型的零件将在其结构中包含更高程度的保留取向.形成表面的材料将具有与芯部材料大不相同的结构,并且在退火过程中,
模内应力趋于松弛.这经常导致翘曲.
零件在退火过程中出现的尺寸变化将比我们作为加工商的经验所预期的要大得多.
该加工商通过将模具温度从 120 摄氏度（248 华氏度）下降到 35 摄氏度（95 华氏度）来纠正半结晶材料的长连接器中的翘曲问题.客户收到零件后,
立及时它们放入 120 摄氏度的烤箱中,零件的翘曲程度甚至比从热模中出来时还要严重.处理者声称客户在作弊.我向他们解释说,
客户只是确定部件在现场达到工作温度时会发生什么情况,而一旦部件达到现场工作温度,他们为纠正翘曲问题而控制的结晶度无论如何都会发生.设备.
退火大部分或全部晶体结构的很后一个问题可以追溯到我们在上一篇文章中提到的问题：通过退火形成的固态晶体不如由熔体形成的晶体大或很好.
众所周知,退火的晶体会在略高于它们产生时的温度下熔化.再次考虑 PEEK.PEEK 的常见退火程序是暴露于 200 C (392 F) 2 小时.
该温度远高于聚合物的 T g并且将有效地提供我们无法从模塑过程中获得的很后一点结晶度.
但是考虑一个在本质上处于无定形状态的部件.在 200 摄氏度退火时,假设零件仍处于可识别的形式,它将由在大约 220 摄氏度（428 华氏度）下熔化的晶体组成.
这与我们期望聚合物的典型熔点 343 C (649 F) 相去甚远.它甚至低于该材料所引用的连续使用温度,在 UL 黄卡上,该温度可高达 260 C (500 F).
因此,虽然在技术上可以放弃通常与加工高性能半结晶材料的很佳实践相关的升高的模具温度,但这是很危险的,并且可能会产生明白低于预期的零件 -
假设它们从退火中出来过程看起来像图纸.在我们的下一个专栏中,我们将把退火讨论扩展到它在交联材料中的应用.
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