Materialien Teil 1:Was das Glühen für Ihren Prozess tun kann

Lange bevor es Kunststoffe gab, gab es den Prozess des Glühens. Die Metallindustrie und insbesondere die Stahlindustrie weiß seit langem, dass die Durchführung eines Folgeprozesses, bei dem Materialien einer kontrollierten Erwärmung und Abkühlung ausgesetzt werden, die Härte des Materials verringert, die Duktilität erhöht und innere Spannungen reduziert. Auch die Mikrostruktur des Materials wird verändert. Andere metallische Materialien wie Kupfer und Messing können ebenfalls profitieren.

Glühen kann Spannungen in amorphen Materialien abbauen und die Kristallinität in teilkristallinen Harzen erhöhen. (Foto:Glühofen von Grieve Corp.)

Das Glühen von Kunststoffen wird bei den meisten Herstellungsprozessen nicht durchgeführt. Es gibt Ausnahmen. Produkte mit erheblicher Dicke wie Vollstäbe, dickwandige Rohre und Bleche werden häufig als Vorbereitungsschritt für die Bearbeitung geglüht. Dies geschieht, um die Struktur des Materials zu stabilisieren und innere Spannungen zu reduzieren, aus den gleichen Gründen, aus denen der Prozess in metallischen Materialien durchgeführt wird. Bei allen durch Schmelzverarbeitung hergestellten Produkten führen die relativ schnellen Abkühlgeschwindigkeiten, die mit diesen Verfahren verbunden sind, zu einem gewissen Maß an innerer Spannung und einer Abweichung vom Gleichgewichtszustand. In Fällen, in denen dies zu einer inneren Spannung führt, die bei der Verwendung zu Funktionsproblemen führt, kann ein Glühen durchgeführt werden, um die Spannung auf ein Niveau zu senken, das während der Verarbeitung möglicherweise nicht erreicht werden kann.

Die Gründe für das Tempern und die Auswirkung, die es auf das Material hat, hängen stark vom getemperten Polymer ab. Bei amorphen Polymeren besteht das Ziel darin, innere Spannungen zu reduzieren. Teile, die in einem gut kontrollierten Prozess hergestellt werden, bei dem die Bedeutung der Abkühlgeschwindigkeit angemessen berücksichtigt wird, können innere Spannungen unter 1000 psi aufweisen. Schnell abgekühlte Teile können jedoch zwei- bis dreimal höhere Eigenspannungen aufweisen. Je höher die innere Spannung ist, desto weniger ist das Produkt in der Lage, äußere Spannungen fehlerfrei zu bewältigen. Außerdem sind Ausfälle in Teilen mit hoher Eigenspannung eher spröde.

Auch wenn bei der Anwendung keine erhöhten äußeren Spannungen zu erwarten sind, können hohe innere Spannungen die Anfälligkeit für Umweltspannungsrisse (ESC) erhöhen. Amorphe Polymere zeigen besonders wahrscheinlich ESC, wenn sie bestimmten chemischen Mitteln ausgesetzt sind. Diese chemischen Mittel können als Lösungsmittel, Weichmacher, Reinigungsmittel, Rostschutzmittel und Klebstoffe vorhanden sein, und ein längerer Kontakt eines amorphen Polymers mit diesen Flüssigkeiten kann zu ESC-Ausfällen führen. In solchen Umgebungen kann das Ausheilen den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg ausmachen.

Bei teilkristallinen Polymeren ist der Zweck des Temperns grundsätzlich ein anderer. Teilkristalline Polymere werden wegen der mechanischen und thermischen Eigenschaften verwendet, die sich aus ihrer Kristallinität ergeben. Der Kristallinitätsgrad bestimmt Eigenschaften wie Festigkeit, Modul, Beibehaltung mechanischer Eigenschaften oberhalb der Glasübergangstemperatur, chemische Beständigkeit, Ermüdungs- und Kriechbeständigkeit sowie tribologische Eigenschaften. So wie innere Spannungen in amorphen Polymeren durch langsamere Abkühlgeschwindigkeiten minimiert werden, wird die Kristallinität in einem teilkristallinen Polymer maximiert durch Verlangsamen der Geschwindigkeit, mit der das Material abgekühlt wird.

Aber selbst im günstigsten Fall führen die mit der Schmelzeverarbeitung verbundenen Abkühlraten zu einem Teil, das ca. 90 % der erreichbaren Kristallinität besitzt. In den meisten Fällen ist dies ausreichend. Aber in den Fällen, in denen dies nicht der Fall ist, wird ein Glühen durchgeführt, um diese zusätzlichen 10 % bereitzustellen.

Die Möglichkeit zur Kristallbildung tritt in einem Temperaturfenster unterhalb des Schmelzpunktes des Polymers und oberhalb seiner Glasübergangstemperatur (T_g ). Folglich muss die Glühtemperatur über der T_g . liegen um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Optimale Kristallisationsraten werden normalerweise nahe der Mitte zwischen dem Schmelzpunkt und dem T_g . erreicht . Als Beispiel Nylon 66 mit einem T_g von 60 °C (140 °F) und einem Schmelzpunkt von 260 °C (500 °F), glüht am effizientesten bei etwa 160 °C (320 °F).

Bei vernetzten Werkstoffen erfolgt der Glühprozess aus ähnlichen Gründen wie bei teilkristallinen Thermoplasten. So wie Formgebungsverfahren Schwierigkeiten haben, einen möglichst hohen Kristallisationsgrad zu erreichen, erreichen sie typischerweise auch nicht den optimalen Vernetzungsgrad. Dies kann zwar durch eine Verlängerung der Zykluszeit erreicht werden, die Wirtschaftlichkeit spricht jedoch oft nicht für einen solchen Ansatz, und es ist effizienter, eine große Anzahl von Teilen nach dem Formen wieder zu erhitzen. In der Duroplastindustrie wird dies typischerweise als Nachbrennen bezeichnet und wird am häufigsten bei Polymeren wie Phenolen und Polyimiden durchgeführt.

Viele Praktiker in der Industrie haben jedoch auch Vorteile bei der Durchführung dieses Vorgangs bei ungesättigten Polyestern, Epoxiden und Silikonen festgestellt. Damit der Nachbrennprozess die Vernetzungsdichte des Materials effektiv steigern kann, muss die Temperatur des Backprozesses die T_g . überschreiten des Polymers im Formteil. Wie wir in einem späteren Artikel sehen werden, gibt es einige Thermoplaste, die auch nachgebacken werden müssen, um optimale Eigenschaften zu erzielen.

Einige Elastomere profitieren auch von einem Nachbrenn- oder Glühprozess. Wie bei teilkristallinen Thermoplasten und starren vernetzten Polymeren ist das Ziel nicht die Reduzierung der inneren Spannungen, sondern eine strukturelle Neuordnung, die die mechanische und thermische Leistungsfähigkeit verbessert. Dieses Verfahren kann in thermoplastischen Elastomeren wie Polyurethanen nützlich sein, und es hat sich auch gezeigt, dass es die Leistung in vernetzten Systemen wie Silikonkautschuk verbessert. Das Verfahren ist besonders nützlich, um eine optimale Leistung bei Anwendungen zu erzielen, bei denen eine längere Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen erforderlich ist.

Damit diese Verfahren das gewünschte Ergebnis erzielen, sind die spezifischen Bedingungen der Glüh- oder Nachbrenntemperatur und -zeit kritisch. Von gleicher Bedeutung ist in einigen dieser Fälle die Abkühlgeschwindigkeit nach Beendigung des Aufheizvorgangs. Wird dieser Kühlprozess nicht beherrscht, führt das Glühen oft nicht zum gewünschten Ergebnis. Dies ist ein Parameter, der oft übersehen wird.

In den folgenden Artikeln dieser Reihe werden wir die unterschiedlichen Anforderungen an amorphe Thermoplaste, teilkristalline Thermoplaste, vernetzte Materialien und Elastomere diskutieren. Wir werden auch die Grenzen dieses Prozesses besprechen, um positive Ergebnisse zu erzielen, ohne unbeabsichtigte negative Folgen zu haben.

ÜBER DEN AUTOR: ​​Mike Sepe ist ein unabhängiger, globaler Material- und Verarbeitungsberater, dessen Unternehmen Michael P. Sepe, LLC, mit Sitz in Sedona, Arizona, hat. Er verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, Konstruktion für Herstellbarkeit, Prozess Optimierung, Fehlerbehebung und Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 • [email protected].