パート3材料：半結晶性ポリマーのアニーリングのヒント
アモルファスポリマーのアニーリングは、通常、成形プロセス中に達成可能なレベルよりも低い部分の内部応力を低減するために実行されます。ただし、半結晶性ポリマーでは、アニーリングの目的は、通常の成形サイクルのパラメーター内では実際には得られない結晶化度のレベルを確立することです。
各半結晶性ポリマーには、ポリマー鎖の化学構造に応じてある程度結晶化する能力があります。 HDPEは、非常に高い割合で効率的な結晶化を可能にする柔軟で合理化されたチェーンを備えていますが、PEEKのような材料は、最も注意深く制御されたプロセス条件下でも適度なレベルの結晶化度を達成します。
最適な結晶化度は、強度、弾性率、耐クリープ性と耐疲労性、寸法安定性などの幅広い特性を向上させます。この最後の特性は、高温で使用される部品で非常に厳しい公差を維持する必要があるアプリケーションで非常に重要です。結晶化は冷却速度によって制御され、製造プロセス中に急速に発生します。結晶化の最適レベルと見なされるものを達成するには、金型の温度をポリマーのガラス転移温度より高く維持する必要があります。これにより、結晶の形成を可能にするレベルの分子移動性が促進されます。
結晶化は、結晶融点より低く、ガラス転移温度（T g ）より高い温度ウィンドウでのみ発生します。 ）。例としてPPSを考えてみましょう。 PPSの融点は280C（536 F）ですが、T g 特定の動的機械的特性から決定した場合、は約130 C（266 F）です。したがって、適切な結晶化を確実にするために金型温度を設定するためのガイドラインは、最低135 C（275 F）です。この要件に注意を払うプロセッサは、通常、135〜150 C（275〜302 F）の金型温度を選択します。しかし、このパラメータが適切に制御されている場合でも、溶融加工に伴う比較的速い冷却速度と、成形品が金型内で費やす時間の制限により、結晶構造の達成は理論的に得られるものの約90％に制限されます。
結晶化の速度は、T g の間の全温度範囲にわたって一定ではないことがわかっています。 およびT m （融点。多くのポリマーでは、結晶はこれら2つの極値のほぼ中間の温度で最も速く形成されます。したがって、PPSで最も効率的な結晶化速度を達成するには、金型温度205°C（401°F）を使用します。は維持するのがより難しい金型温度であり、この高い金型温度で製造された部品と低い金型温度で製造された部品の機械的特性の差は比較的小さいため、通常は低い金型温度を使用します。
ただし、成形品を200℃で動作させる必要がある場合は、この塗布温度にさらされると、製品の使用中に追加の結晶化が発生します。材料が結晶化するにつれて、それらは収縮することを私たちは知っています。そのため、適切な寸法に成形された後、非常に高い適用温度にさらされる部品は、使用中にサイズが変わる可能性があります。この寸法変化により製品の機能に問題が生じる場合は、使用する前に部品の寸法を安定させる必要があります。これはアニーリングによって行われます。
<画像>非晶性ポリマーでは、アニーリング温度はT g に近づく必要があります ポリマーの。ただし、半結晶性材料をアニーリングするときに望ましい結果を得るには、アニーリング温度がT g を超えている必要があります。 ポリマーの。必要な時間は、アモルファスポリマーの場合と同様に、成形品の肉厚によって異なります。しかし、必要な時間に影響を与える他の要因は、アニーリング温度です。
上記のように、目標アニーリング温度は多くの場合、T g の中間点です。 およびT m 。温度が低いほど、より長いアニーリング時間が必要になります。アニーリング温度を選択する際のもう1つの決定要因は、アプリケーションで部品がさらされる最高温度です。部品を200°Cで焼きなましした後、225°Cで使用すると、焼きなましプロセスでは形成されなかった新しい結晶が、より高い使用温度で形成されます。これにより、問題となる可能性のある追加の寸法変更が発生します。したがって、焼きなまし温度は、部品が使用される最高温度以上である必要があります。アモルファスポリマーがT g を超えるアニーリング温度に耐えられないのと同じように 、半結晶性ポリマーは、結晶融点を超える温度ではアニーリングできません。
アニーリング時間は、特定の部品形状に対して実験的に確立するのが最適です。非晶性ポリマーでは、アニーリングの目的が達成されたことを確認するために使用されるテストは、成形品の残留応力を測定する溶剤テストです。半結晶性樹脂のベンチマークは、寸法安定性です。半結晶性材料で成形された適切に焼きなましされた部品は、寸法に追加の変化を示すことなく、最悪の場合のアプリケーション環境を表す時間-温度ルーチンへの暴露に耐えることができるはずです。
この原理の良い例は、85°C（185°F）の温度に最大8時間さらされるように設計された部品で説明できます。それぞれ70℃（158 F）で1時間アニールされた2つの構成部品から製造されたアセンブリは、適用条件にさらされると寸法変化を示しました。これらの変更により、アセンブリの操作時にパーツがバインドされ、機能しなくなりました。 110°Cで同じ1時間アニーリングすると、アプリケーション環境にさらされた後も機能に変化が見られないアセンブリが得られました。
予想される最高使用温度を超えるアニーリング温度を選択するもう1つの理由があります。材料が固体状態にある間に形成される結晶は、材料が溶融物から冷却されるときに形成される結晶ほど大きくも完全でもありません。その結果、それらは同じ特性を持たず、材料の全体的な構造に同じ利点を与えません。具体的には、特定のアニーリング温度で形成された結晶は、それらが生成された温度よりわずか数度高い温度で溶融します。したがって、部品の最大使用温度よりも低い温度で生成された結晶は、その暴露に耐えられず、有用ではありません。
半結晶性材料の焼きなまし中の追加の収縮は避けられないため、成形されたままの部品の寸法は、最終的な目標寸法よりも大きくなければなりません。これには、部品がアニーリングプロセスを経た後、印刷物に合うように、印刷物から成形する必要がある場合があります。したがって、成形時の寸法と焼きなましされた寸法の間に関係を確立することが重要です。
多くの半結晶性ポリマーのアニーリング温度は、ポリマーに損傷を与える可能性のある他の影響を与えるのに十分なほど高いです。たとえば、T g の中間点 およびT m ナイロン66のは160C（320 F）です。この温度では、ナイロンは急速に酸化する可能性があります。これにより、材料の色が変化する可能性がありますが、さらに重要なことに、機械的特性、特に延性に関連する特性が永久に失われる可能性があります。したがって、ナイロンのような材料の場合、アニーリングは、不活性雰囲気、真空下、または酸素バリアとして機能し、材料の特性を変更しない流体のいずれかで実行するのが最適です。たとえば、ナイロン部品を高温の鉱油で焼きなましして、酸化を防ぎ、熱伝達を改善することができます。鉱油は無極性であるため、ナイロンは油を吸収せず、可塑化効果は観察されません。
半結晶性材料の焼きなましは、最適な手順に従ってすでに成形された部品の構造を完成させるために理想的に行われます。ただし、一部のプロセッサは、PPS、PEEK、PPAなどの高性能材料を適切に結晶化するために必要な高い金型温度の要求を回避するためにアニーリング戦略を使用します。これは、部品の性能に深刻な欠陥をもたらし、プロセス制御に重大な問題を引き起こす可能性があります。次の記事では、これらの問題をさらに詳しく見ていきます。
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]。
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