材料パート1：アニーリングでプロセスに何ができるか

プラスチックが登場するずっと前に、焼きなましのプロセスがありました。金属産業、より具体的には鉄鋼産業は、材料を制御された加熱および冷却にさらすフォローアッププロセスを実行すると、材料の硬度が低下し、延性が向上し、内部応力が減少することを長い間知っていました。材料の微細構造も変更されます。銅や真ちゅうなどの他の金属材料もメリットがあります。

アニーリングは、アモルファス材料の応力を緩和し、半結晶性樹脂の結晶化度を高めることができます。 （写真：Grieve Corp.の焼きなましオーブン）

プラスチックの焼きなましは、ほとんどの製造プロセスの一部として実行されません。例外があります。ソリッドロッド、厚肉チューブ、シートなどのかなりの厚さの製品は、機械加工の準備ステップとして焼きなましされることがよくあります。これは、材料の構造を安定させ、内部応力を低減するために行われます。これは、プロセスが金属材料で行われるのとほぼ同じ理由です。溶融加工によって製造されたすべての製品において、これらのプロセスに関連する比較的速い冷却速度は、ある程度の内部応力と平衡状態からの逸脱をもたらします。これにより、使用中に機能上の問題が発生するレベルの内部応力が発生する場合は、アニーリングを実行して、処理中に達成できないレベルまで応力を下げることができます。

アニーリングの理論的根拠、およびそれが材料に与える影響は、アニーリングされるポリマーに大きく依存します。非晶性ポリマーの目的は、内部応力を低減することです。冷却速度の重要性に適切な注意を払う適切に制御されたプロセスで製造された部品には、1000psi未満の内部応力が含まれている可能性があります。ただし、急速に冷却される部品は、2〜3倍高い内部応力を示す場合があります。内部ストレスが高いほど、製品が失敗することなく外部ストレスを管理する能力が低下します。さらに、高レベルの内部応力を含む部品の故障は、もろくなりやすくなります。

アプリケーションが高レベルの外部応力を伴うと予想されない場合でも、高い内部応力は環境応力亀裂（ESC）に対する感受性を高める可能性があります。アモルファスポリマーは、特定の化学薬品にさらされた場合に特にESCを示す可能性があります。これらの化学薬品は、溶剤、可塑剤、洗浄剤、防錆剤、接着剤として存在する可能性があり、アモルファスポリマーがこれらの液体と長時間接触すると、ESC障害が発生する可能性があります。これらのタイプの環境では、アニーリングが成功と失敗の違いになる可能性があります。

半結晶性ポリマーでは、アニーリングの目的は根本的に異なります。半結晶性ポリマーは、その結晶化度から生じる機械的および熱的属性のために使用されます。結晶化度は、強度、弾性率、ガラス転移温度を超える機械的特性の保持、化学的耐性、耐疲労性および耐クリープ性、トライボロジー特性などの特性を左右します。アモルファスポリマーの内部応力がより遅い冷却速度によって最小化されるのと同じように、半結晶性ポリマーの結晶化度は最大化されます。 材料が冷却される速度を遅くすることによって。

しかし、最良の状況でも、溶融加工に関連する冷却速度により、達成可能な結晶化度の約90％を占める部品が得られます。ほとんどの場合、これで十分です。しかし、そうでない場合は、さらに10％を提供するためにアニーリングが実行されます。

結晶形成の機会は、ポリマーの融点より低く、ガラス転移温度（T _g ）より高い温度ウィンドウで発生します。 ）。したがって、アニーリング温度はT _g より高くなければなりません。 望ましい結果を達成するために。最適な結晶化速度は通常、融点とT _g の中間点付近で得られます。 。例として、T _g のナイロン66 60 C（140 F）および260 C（500 F）の融点で、約160 C（320 F）で最も効率的にアニールします。

架橋材料では、半結晶性熱可塑性プラスチックを支配する理由と同様の理由でアニーリングプロセスが実行されます。成形プロセスが可能な限り最高レベルの結晶化を達成するのに苦労するのと同じように、それらは通常、最適レベルの架橋を達成しません。これはサイクルタイムを延長することで達成できますが、経済的にはそのようなアプローチを好まないことが多く、成形後に多数の部品を再加熱する方が効率的です。熱硬化性樹脂業界では、これは通常、ポストベーキングと呼ばれ、フェノールやポリイミドなどのポリマーで最も頻繁に実行されます。

ただし、業界の多くの実務家は、不飽和ポリエステル、エポキシ、およびシリコーンに対してこの操作を実行することにも利点があることを発見しています。ポストベーキングプロセスが材料の架橋密度を効果的に高めるためには、ベーキングプロセスの温度がT _g を超えている必要があります。 成形品のポリマーの。後の記事で説明するように、最適な特性を実現するためにポストベークが必要な熱可塑性プラスチックもあります。

一部のエラストマーは、ポストベークまたはアニーリングプロセスの恩恵も受けます。半結晶性熱可塑性プラスチックや硬質架橋ポリマーと同様に、目的は内部応力の低減ではなく、機械的および熱的性能を向上させる構造的再配列です。このプロセスは、ポリウレタンなどの熱可塑性エラストマーで役立つ可能性があり、シリコーンゴムなどの架橋システムでの性能を向上させることも示されています。このプロセスは、高温に長時間さらされるアプリケーションで最適なパフォーマンスを提供するのに特に役立ちます。

これらのプロセスが望ましい結果を達成するためには、アニーリングまたはポストベーキングの温度と時間の特定の条件が重要です。これらの場合のいくつかで同様に重要なのは、加熱プロセスが終了した後の冷却速度です。この冷却プロセスの管理に失敗すると、多くの場合、アニーリングで目的の結果が得られません。これは、見過ごされがちなパラメータです。

このシリーズの後続の記事では、アモルファス熱可塑性プラスチック、半結晶性熱可塑性プラスチック、架橋材料、およびエラストマーに関連するさまざまな要件について説明します。また、意図しない否定的な結果をもたらすことなく肯定的な結果を達成するためのこのプロセスの限界についても説明します。

作者について： マイクセペ は独立したグローバルな材料および処理コンサルタントであり、その会社であるMichael P. Sepe、LLCはアリゾナ州セドナに拠点を置いています。彼はプラスチック業界で40年以上の経験があり、材料の選択、製造可能性の設計、プロセスでクライアントを支援しています。最適化、トラブルシューティング、および障害分析。連絡先：（928）203-0408•[email protected]。