Materialien:Tipps zum Glühen für amorphe Polymere, Teil 2

Wie wir letzten Monat in Teil 1 kurz besprochen haben, sind amorphe Polymere anfällig für Versagen durch Umweltspannungsrisse (ESC). Wir verstehen diesen Mechanismus im Wesentlichen als mechanisches Versagen, das durch die Anwesenheit einer Chemikalie beschleunigt wird, die das Polymer in einem Bereich, in dem ein kleiner Defekt entstanden ist, lokal plastifiziert.

Der Defekt kann ein Einschluss wie ein Stück Metall oder Kohlenstoff sein, oder es kann eine Kerbe sein, die durch einen zufälligen Schaden entstanden ist. Dies kann auch auf einen Konstruktionsfehler wie eine scharfe Ecke oder eine schnelle Änderung der Wanddicke des Teils zurückzuführen sein, die ein lokal erhöhtes Spannungsniveau erzeugt. Oder es kann durch eine erhöhte innere Spannung, die durch die Formbedingungen verursacht wird, gefördert werden. Hohe Eigenspannungen werden durch schnelles Abkühlen des Polymers verursacht.

Eine Verarbeitungsstrategie mit schneller Abkühlung kann auch die kurzfristigen Eigenschaften beeinflussen, insbesondere die Duktilität. Dies ist bedenklich, da viele amorphe Polymere, wie ABS und PC, hauptsächlich wegen ihrer ausgezeichneten Zähigkeit verwendet werden. Bild 1 zeigt die Ergebnisse einer Studie zum Einfluss von Schmelze- und Werkzeugtemperatur auf die Schlagzähigkeit von ABS. Dies zeigt, dass die geformten Proben eine sehr geringe Bruchenergie aufweisen, wenn die Formtemperatur relativ niedrig eingestellt wird. Mit steigender Werkzeugtemperatur steigt die Schlagzähigkeit dramatisch an.

FIG 1 Geformte Proben weisen eine sehr geringe Bruchenergie auf, wenn die Formtemperatur relativ niedrig eingestellt wird. Mit steigender Werkzeugtemperatur steigt die Schlagzähigkeit dramatisch an.

Aber selbst bei einer hohen Formtemperatur liegt die Abkühlgeschwindigkeit eines Polymers während des Spritzgussverfahrens in der Größenordnung von 150–300 °C/min (270–540 °F/min). Bei einer so schnellen Temperaturänderung ist ein gewisses Maß an innerer Spannung unvermeidlich. In Situationen, in denen die Anwendungsumgebung eine Kombination aus erhöhter Temperatur, verlängerter Lebensdauer, Belastungen, die den proportionalen Grenzwert überschreiten können, und Exposition gegenüber bestimmten Chemikalien beinhaltet, können selbst relativ geringe innere Belastungen zu einem vorzeitigen Ausfall aufgrund von ESC führen. Metastudien zur Fehleranalyse haben gezeigt, dass ESC die Hauptursache für Feldausfälle bei Kunststoffteilen ist und dieser Fehlermodus hauptsächlich amorphe Polymere betrifft.

Bei amorphen Polymeren wird ein Tempern durchgeführt, um die inneren Spannungen auf ein Niveau herabzusetzen, das unter den Bedingungen eines normalen Formverfahrens nicht erreichbar ist. Es gibt einige Parameter, die wichtig sind, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Die erste davon ist die Temperatur des Glühprozesses. Typischerweise ist die empfohlene Glühtemperatur auf die Glasübergangstemperatur (T_g ) des Polymers. Dies kann leicht durch analytische Techniken wie die Differentialscanningkalorimetrie (DSC) oder die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) gemessen werden. DMA hat den Vorteil, dass es die physikalischen Eigenschaften des Polymers misst, daher liefert es mehr Informationen über den Temperaturbereich, der zum Entspannen der inneren Spannungen im Teil verwendet werden kann.

Abbildung 2 zeigt eine grafische Darstellung des Elastizitätsmoduls als Funktion der Temperatur für einen typischen PC. Die T_g tritt in dem Temperaturbereich auf, in dem der Elastizitätsmodul des Polymers über einen sehr engen Temperaturbereich von 140-155 °C (284-311 °F) schnell abfällt.

FIG 2 Die Glasübergangstemperatur tritt in dem Temperaturbereich auf, in dem der Elastizitätsmodul des Polymers über einen sehr engen Temperaturbereich von 140-155 °C (284-311 °F) schnell abfällt.

Empfehlungen für eine geeignete Glühtemperatur für Polycarbonat variieren zwischen 121 °C (250 °F) und 135 °C (275 °F). Diese Temperaturen liegen nahe der T_g aber unterhalb des Einsetzens des schnellen Modulabfalls bleiben, um eine Verformung der Teile zu verhindern. Das Ziel besteht darin, eine Temperatur zu verwenden, die diesem Beginn so nahe wie möglich kommt, ohne dass ein Bauteilverzug oder eine übermäßige Maßänderung entsteht. Dies hängt in gewisser Weise von der Teilegeometrie und dem Grad der Unterstützung ab, die für Bereiche bereitgestellt werden können, die am anfälligsten für Verzerrungen sind, wie beispielsweise Bereiche um Anschnitte.

Der zweite wichtige Parameter ist die Glühzeit. Dies hängt von der Dicke des Teils ab. Kunststoffe sind relativ schlechte Wärmeleiter, und das Teil muss überall eine gleichmäßige Temperatur annehmen. Typische Empfehlungen sind mindestens 30 Minuten, nachdem die Teile die gewünschte Temperatur erreicht haben, plus 5 Minuten/mm (0,040 Zoll) Wandstärke. Bei Teilen mit Abschnitten von mehr als 6 mm (0,250 Zoll) werden die besten Ergebnisse durch Verdoppeln dieser Zeit erzielt. Wird nicht genügend Zeit zum Erreichen und Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Temperatur über einen angemessenen Zeitraum bereitgestellt, kann dies sogar zu einem Anstieg des inneren Spannungsniveaus führen.

Die vielleicht wichtigste Bedingung im Zusammenhang mit dem Glühen ist die Temperaturänderungsrate, insbesondere die Änderungsrate, die während des Abkühlvorgangs auftritt. Idealerweise sollten die Teile mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 50°​​​​​​​ C/h (90°​​​​​​​ F/h) von Raumtemperatur auf die Glühtemperatur erhitzt werden. Den größten Einfluss auf das Ergebnis hat jedoch die Abkühlphase des Glühprozesses. Auch hier variieren spezifische Empfehlungen.

Eine gute Richtlinie ist jedoch eine Abkühlgeschwindigkeit von nicht mehr als 25 °C/h (45 °F/h), bis die Teile eine Temperatur von 60-65 °C (140-149 °F) erreicht haben. Einige Teile müssen möglicherweise mit einer Geschwindigkeit von nur 5 °C/h (9 °F/h) abgekühlt werden. Der häufigste Fehler, der zu einem unbefriedigenden Glühergebnis führt, ist ein zu schnelles Abkühlen. Oft werden Teile aus dem Ofen entnommen, sobald die vorgeschriebene Glühzeit abgelaufen ist. Die Teile kühlen schnell von der Glühtemperatur auf Raumtemperatur ab, wodurch die gesamte Arbeit des Glühprozesses rückgängig gemacht wird.

Der ultimative Test für die Wirksamkeit eines Glühprozesses ist eine Lösungsmittelspannungsrissbewertung. Für jedes Polymer gibt es eine Chemikalie oder ein Gemisch von Chemikalien, die auf einen bestimmten Schwellenwert der inneren Spannung abzielen. Häufig handelt es sich bei diesem Ansatz um eine Mischung aus zwei Substanzen. Einer fungiert als inerter Inhaltsstoff, während der andere als aktiver Inhaltsstoff dient, der die Spannungsrissbildung fördert. Durch Veränderung des Verhältnisses dieser beiden Bestandteile in der Mischung kann die angestrebte Schwellenspannung so eingestellt werden, dass die Spannung im Teil genau gemessen werden kann.

ABS verwendet zum Beispiel eine Mischung aus einem Acetat wie Ethylacetat und einem Alkohol wie Ethanol. Höhere Acetatkonzentrationen, die erforderlich sind, um Spannungsrisse hervorzurufen, korrelieren mit geringeren inneren Spannungen im Teil. Der gleiche Ansatz wird bei Polycarbonat verwendet. Bei Polycarbonat handelt es sich jedoch um eine Mischung aus n-Propanol und Toluol. Die Teile werden für eine vorgeschriebene Zeit in die Mischung eingetaucht, herausgenommen und gespült und dann auf Rissbildung untersucht. Die Lage beobachteter Risse hilft dabei, Bereiche des Teils zu identifizieren, die anfällig für die Bildung erhöhter Spannungen sind.

Ein alternativer Ansatz verwendet ein einzelnes Reagens und die erforderliche Eintauchzeit, um Spannungsrisse zu erzeugen, hängt von der inneren Spannung im Teil ab. Als Beispiel kann Polycarbonat mit Propylencarbonat getestet werden. Der Grad der inneren Spannung im Teil ist eine Funktion der Zeit, in der das Teil in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Bei beiden Methoden führt ein effektiver Glühprozess zu einer deutlichen Reduzierung der gemessenen Schwellenspannung.

Das Tempern von teilkristallinen Polymeren erfolgt aus einem ganz anderen Grund. In unserem nächsten Abschnitt werden wir diesen Prozess und die Richtlinien besprechen, um das Beste aus dem Tempern dieser Polymerklasse herauszuholen.

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].​​​​​​