材料パート5：架橋ポリマーのアニーリングのヒント
ポリマーの結晶構造を完成させるために半結晶性熱可塑性プラスチックでアニーリングが使用されるのと同じように、同じプロセスを使用して、成形サイクルのコンテキスト内では達成できない可能性のある熱硬化性ポリマーの架橋レベルを得ることができます。架橋レベルの増加に関連する特性の変化は、結晶化度の増加に関連するものと多くの点で非常に似ています。
しかし、結晶化と架橋は、同じ処理と後処理の影響に反応しますが、根本的に異なるプロセスです。熱可塑性プラスチックは、加工工場に到着する前に有用なチェーン長に構築されており、温度が下がると溶融物から結晶化が自然に発生します。冷却プロセスのある時点で、材料の化学的性質と周囲圧力または加えられた圧力の関数である材料構造の急激な変化が観察されます。
その臨界点に達すると、材料がガラス転移温度を超えたままであれば、結晶化プロセスが続行されます。その温度（T g ）は、分子量が有用な機械的特性に関連するのに十分高い限り、任意のポリマーに対して本質的に一定であるため、追加の結晶化を促進するために必要なアニーリング条件は予測可能です。
架橋された材料は仕掛品として加工工場に到着します。材料の化学的性質は、重合が実際に始まる前に停止された化学反応によって確立されました。この状態は、しばしば「プレポリマー」と呼ばれます。この材料は、完全に開発されたポリマーを作成するためにさらに反応を起こすことができます。これらの反応は高温によって促進され、プレポリマーの一部である反応性基と触媒の存在に依存します。
<画像>最初の真の合成ポリマーであるフェノールは、この材料ファミリーのよく知られたメンバーです。この材料は、フェノールとホルムアルデヒドの反応から始まります。反応の初期段階が起こると、製品の粘度が上昇し、ある時点で粘着性のある粘性のある材料になり、接着剤として役立つ可能性があります。このプロセスを続けると、材料は比較的低い融点を持つ固体になる可能性があります。その後、粉砕して触媒や適切なフィラーと組み合わせることができ、その時点で成形樹脂になります。
この形態では、材料の溶融温度または軟化温度は低く、T g はさらに低くなります。 。しかし、この材料が通常加熱された型によって提供される高温にさらされると、化学反応が重合プロセスを継続し、すでに形成された鎖の間に架橋を形成し、それらの鎖を伸ばすことによってポリマーの分子量を増加させます。これは、熱硬化性材料での重合の非常に単純化された説明です。
しかし、この議論の主な関心事は、部品を形成する過程で、完成した材料も作成しているという事実です。成形品の特性は、確立された架橋度に大きく依存します。これは、金型の温度と成形品が金型内にある時間によって決まります。理想的には、金型から出てくる部分は、T g の高い材料で構成されています。 それは架橋の程度に関係しています。
しかし、成形業者が半結晶性熱可塑性プラスチックで望ましい結晶化度のすべてを達成できないのと同様に、割り当てられたサイクル時間内に熱硬化性ポリマーで望ましい架橋のすべてを達成できない可能性もあります。そのような場合、架橋度を高めるためにアニーリングが行われます。業界の用語では、これはしばしばポストベーキングと呼ばれます。ポストベークの背後にある考え方は、成形サイクル時間を延長したり、より高い金型温度に頼ることなく、架橋度をより高いレベルに引き上げることです。これは、凝縮メカニズムとして知られるプロセスを介して架橋するフェノールやポリイミドなどのポリマーで特に役立ちます。これらのタイプの材料は、ポストベーキングに関連する高温の影響下で、かなりの程度まで追加の架橋を受ける能力があります。
熱硬化性ポリマーでより高度な架橋を実現するためのポストベークの利点は、半結晶性熱可塑性プラスチックのアニーリングによって得られる利点と同様です。機械的強度と弾性率が向上し、これらの変化に伴い、耐クリープ性と耐疲労性が向上します。高温での寸法安定性も向上しますが、延性は低下します。また、半結晶性熱可塑性プラスチックのアニーリング中に寸法変化に問題が発生する可能性があるのと同様に、ポストベークでも同じ問題が発生する可能性があります。
半結晶性熱可塑性プラスチックの場合、成形プロセスで得られた結晶化度が少なすぎると、アニーリングで差を埋めようとすると、収縮や反りなどの管理できない問題が発生する可能性があるという事実に触れました。一部の架橋材料では、発生する可能性のある追加の問題は、部品の膨れです。これは、縮合重合反応中に自然に生成される揮発性副生成物によって引き起こされます。ポストベークフェノールの場合、放出される化合物はアンモニアです。アンモニアが部品の壁を介して十分に急速に拡散できない場合、部品に歪みが生じます。
<画像>ポストベーキングに必要な時間は、目的によって異なります。半結晶性熱可塑性プラスチックをアニーリングするプロセスとは異なり、架橋材料をポストベークすることの重要な結果の1つは、T g の増加です。 。この増加は時間と温度の両方に依存し、その関係は非線形です。したがって、材料、金型から出たときの状態、およびアプリケーションに必要な性能を理解することが重要です。半結晶性ポリマーの結晶でのアニーリングと熱硬化性ポリマーの架橋密度の増加のもう1つの重要な違いは、半結晶性熱可塑性樹脂では、アニーリング温度がT g を超えている必要があることです。 ポリマーの。これは、熱硬化性樹脂では必ずしも当てはまりません。成形時のT g を含むフェノール樹脂 175°Cの温度は160°Cでポストベークでき、T g 増加します。
図1は、時間とT g の上昇との関係を示しています。 PlencoでTedMorrisonによって行われた作業からのフェノール材料で。これは、T g の増加を示しています 約30℃の温度は、約18時間のポストベーキングで達成できます。ただし、同じ大きさの追加の増加には、グラフで確立されたモデルの146時間後に必要になります。より高いベーク後の温度を使用することもできますが、これは水ぶくれや反りの問題のリスクがあります。
これまでに説明したすべての材料の場合と同様に、代替案は、より高い金型温度を使用して、成形プロセス中に成形品の構造をより多く開発することです。図2は、金型温度とT g を関連付けるモリソンの研究の別の結果を示しています。 部分のポリマーの。金型温度が高いほど、必要なレベルの性能を達成するためにポストベークで行う作業が少なくなることは明らかです。
次のコラムでは、熱可塑性ポリウレタンのアニーリング方法を確認します。ここでは、比較的短時間でいくつかの顕著な利点を実現できます。
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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