材料：アモルファスポリマーのアニーリングのヒント、パート2

先月のパート1で簡単に説明したように、アモルファスポリマーは、環境ストレスクラッキング（ESC）による破損の影響を受けやすくなっています。このメカニズムは、本質的に、小さな欠陥が作成された領域でポリマーを局所的に可塑化する化学物質の存在によって加速される機械的故障であると理解しています。

欠陥は、金属片やカーボンチャーなどの介在物である場合もあれば、偶発的な損傷によって作成されたノッチである場合もあります。また、鋭い角や部品の肉厚の急激な変化などの設計上の欠陥が原因で、局所的に高い応力レベルが発生している可能性もあります。または、成形条件によって引き起こされる内部応力のレベルの上昇によって促進される可能性があります。高レベルの内部応力は、ポリマーの急速な冷却によって引き起こされます。

急速冷却を伴う処理戦略も、短期的な特性、特に延性に影響を与える可能性があります。 ABSやPCなどの多くのアモルファスポリマーは、その優れた靭性のために主に使用されているため、これは懸念事項です。図1は、ABSの耐衝撃性に及ぼす溶融温度と金型温度の影響に関する研究結果を示しています。これは、金型温度が比較的低く設定されている場合、成形された試験片が破壊するエネルギーが非常に低いことを示しています。金型温度が上昇すると、耐衝撃性が劇的に上昇します。

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図1 金型温度が比較的低く設定されている場合、成形された試験片は非常に低い破壊エネルギーを示します。金型温度が上昇すると、耐衝撃性が劇的に上昇します。

しかし、金型温度が高い場合でも、射出成形プロセス中のポリマーの冷却速度は、150〜300°C /分（270〜540°F /分）のオーダーです。このような急激な温度変化により、ある程度の内部応力は避けられません。アプリケーション環境に、高温、寿命の延長、比例限界を超える可能性のあるストレス、および特定の化学物質への暴露の組み合わせが含まれる状況では、比較的低レベルの内部ストレスでさえ、ESCによる早期故障につながる可能性があります。故障解析のメタ研究では、ESCがプラスチック部品の現場故障の主な原因であり、この故障モードは主にアモルファスポリマーに影響を与えることが示されています。

非晶性ポリマーでは、通常の成形プロセスの条件下では達成できないレベルまで内部応力を引き下げるために、アニーリングが実行されます。望ましい結果を達成するために重要ないくつかのパラメーターがあります。これらの最初のものは、アニーリングプロセスの温度です。通常、推奨されるアニーリング温度は、ガラス転移温度（T _g ）ポリマーの。これは、示差走査熱量測定（DSC）や動的機械分析（DMA）などの分析技術によって簡単に測定できます。 DMAには、ポリマーの物理的特性を測定できるという利点があるため、成形品の内部応力を緩和するために使用できる温度範囲に関する詳細情報が提供されます。

図2は、一般的なPCの温度の関数としての弾性率のプロットを示しています。 T _g ポリマーの弾性率が140〜155°C（284〜311°F）の非常に狭い温度範囲で急速に低下する温度領域で発生します。

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図2 ガラス転移温度は、ポリマーの弾性率が140〜155 C（284〜311 F）の非常に狭い温度範囲で急速に低下する温度領域で発生します。

ポリカーボネートの適切なアニーリング温度の推奨値は、121 C（250 F）から135 C（275 F）の間で異なります。これらの温度はT _g に近いです ただし、部品の変形を防ぐために、弾性率の急激な低下の開始を下回ったままにします。目的は、部品の歪みや過度の寸法変化を発生させずに、この開始にできるだけ近い温度を使用することです。これは、部品の形状と、ゲート周辺など、歪みの影響を最も受けやすい領域に提供できるサポートのレベルに多少依存します。

2番目の重要なパラメータはアニーリング時間です。これは、パーツの厚さに依存します。プラスチックは比較的熱伝導率が低く、成形品全体で均一な温度になるようにする必要があります。一般的な推奨事項は、部品が目的の温度に達した後、最低30分に加えて、壁の厚さ5分/ mm（0.040インチ）です。セクションが6mm（0.250インチ）より厚い部品の場合、今回は2倍にすることで最良の結果が得られます。適切な時間、均一な温度に到達して維持するのに十分な時間を提供しないと、実際には内部応力のレベルが上昇する可能性があります。

おそらく、アニーリングに関連する最も重要な条件は、温度変化の速度、特に冷却プロセス中に発生する変化の速度です。理想的には、部品は室温からアニーリング温度まで50°C / hr（90°F / hr）以下の速度で加熱する必要があります。しかし、結果に最も大きな影響を与えるのは、アニーリングプロセスのクールダウン部分です。ここでも、具体的な推奨事項は異なります。

ただし、適切なガイドラインは、部品が60〜65 C（140〜149 F）の温度に達するまで、25 C / hr（45 F / hr）以下の冷却速度です。一部の部品は、5°C / hr（9°F / hr）の速度で冷却する必要がある場合があります。不十分なアニーリング結果をもたらす最も一般的な間違いは、冷却が速すぎることです。多くの場合、所定のアニーリング時間が完了するとすぐに部品がオーブンから取り出されます。部品はアニーリング温度から室温まで急速に冷却され、アニーリングプロセスによって行われたすべての作業が取り消されます。

アニーリングプロセスの有効性の究極のテストは、溶剤の応力亀裂評価です。各ポリマーには、内部応力の特定のしきい値を対象とする化学物質または化学物質の混合物があります。多くの場合、このアプローチには2つの物質の混合物が含まれます。 1つは不活性成分として機能し、もう1つはストレスクラッキングを促進する有効成分です。混合物中のこれら2つの成分の比率を変更することにより、目標のしきい値応力を調整して、成形品の応力を正確に測定できます。

たとえば、ABSは、酢酸エチルなどの酢酸塩とエタノールなどのアルコールの混合物を使用します。応力亀裂を誘発するために必要な酢酸塩の濃度が高いと、部品の内部応力が低くなります。同じアプローチがポリカーボネートでも使用されています。ただし、ポリカーボネートの場合、混合物はn-プロパノールとトルエンのいずれかです。部品を所定の時間混合物に浸し、取り出してすすぎ、ひび割れを評価します。観察された亀裂の場所は、高レベルの応力が形成されやすい部品の領域を特定するのに役立ちます。

別のアプローチでは、単一の試薬を使用し、応力亀裂を生成するために必要な浸漬時間は、成形品の内部応力に関連しています。例として、ポリカーボネートは炭酸プロピレンを使用してテストできます。成形品の内部応力のレベルは、成形品が流体に浸されている時間の関数です。どちらの方法でも、効果的なアニーリングプロセスにより、測定されたしきい値応力が大幅に減少します。

半結晶性ポリマーのアニーリングは、まったく異なる理由で行われます。次のセグメントでは、このプロセスと、このクラスのポリマーのアニーリングを最大限に活用するためのガイドラインについて説明します。

著者についてMikeSepe 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]。