Material:Tip Annealing untuk Polimer Amorf, Bagian 2
Seperti yang telah kita bahas secara singkat di Bagian 1 bulan lalu, polimer amorf rentan terhadap kegagalan oleh retak tegangan lingkungan (ESC). Kami memahami mekanisme ini pada dasarnya sebagai kegagalan mekanis yang dipercepat oleh adanya bahan kimia yang secara lokal membuat polimer menjadi plastis di area di mana cacat kecil telah dibuat.
Cacat dapat berupa inklusi seperti sepotong logam atau arang karbon atau dapat berupa takik yang dibuat oleh kerusakan insidental. Mungkin juga karena cacat desain seperti sudut tajam atau perubahan cepat dalam ketebalan dinding bagian yang menciptakan tingkat tegangan yang meningkat secara lokal. Atau dapat dipromosikan oleh peningkatan tingkat tekanan internal yang disebabkan oleh kondisi pencetakan. Tingkat stres internal yang tinggi disebabkan oleh pendinginan polimer yang cepat.
Strategi pemrosesan yang melibatkan pendinginan cepat juga dapat mempengaruhi sifat jangka pendek, terutama daktilitas. Ini menjadi perhatian karena banyak polimer amorf, seperti ABS dan PC, digunakan sebagian besar karena ketangguhannya yang sangat baik. Gambar 1 menunjukkan hasil studi tentang pengaruh suhu leleh dan cetakan terhadap ketahanan benturan ABS. Ini menunjukkan bahwa spesimen yang dicetak menunjukkan energi yang sangat rendah untuk pecah ketika suhu cetakan diatur relatif rendah. Saat suhu cetakan meningkat, resistensi dampak meningkat secara dramatis.
FIG 1 Spesimen cetakan menunjukkan energi yang sangat rendah untuk putus ketika suhu cetakan diatur relatif rendah. Saat suhu cetakan meningkat, resistensi dampak meningkat secara dramatis.
Tetapi bahkan dengan suhu cetakan yang tinggi, laju pendinginan polimer selama proses pencetakan injeksi berada pada urutan 150-300 ° C/menit (270-540 ° F/menit). Dengan perubahan suhu yang begitu cepat, beberapa tingkat tekanan internal tidak dapat dihindari. Dalam situasi di mana lingkungan aplikasi melibatkan beberapa kombinasi suhu tinggi, masa pakai yang diperpanjang, tekanan yang dapat melebihi batas proporsional, dan paparan bahan kimia tertentu, bahkan tingkat tekanan internal yang relatif rendah dapat mengakibatkan kegagalan dini karena ESC. Studi meta analisis kegagalan telah menunjukkan bahwa ESC adalah penyebab utama kegagalan lapangan di bagian plastik dan mode kegagalan ini terutama mempengaruhi polimer amorf.
Dalam polimer amorf, anil dilakukan untuk menurunkan tegangan internal ke tingkat yang tidak dapat dicapai dalam kondisi proses pencetakan normal. Ada beberapa parameter yang penting untuk mencapai hasil yang diinginkan. Yang pertama adalah suhu proses anil. Biasanya, suhu anil yang disarankan diindeks ke suhu transisi gelas (Tg ) dari polimer. Ini dapat dengan mudah diukur dengan teknik analisis seperti kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) atau analisis mekanik dinamis (DMA). DMA memiliki keunggulan dalam mengukur sifat fisik polimer, oleh karena itu memberikan lebih banyak informasi tentang kisaran suhu yang dapat digunakan untuk mengendurkan tegangan internal pada bagian tersebut.
Gambar 2 memberikan plot modulus elastisitas sebagai fungsi suhu untuk PC biasa. Tg terjadi di daerah suhu di mana modulus elastisitas polimer menurun dengan cepat pada rentang suhu yang sangat sempit 140-155 C (284-311 F).
FIG 2 Suhu transisi gelas terjadi di daerah suhu di mana modulus elastisitas polimer menurun dengan cepat pada kisaran suhu yang sangat sempit yaitu 140-155 C (284-311 F).
Rekomendasi suhu anil yang sesuai untuk polikarbonat bervariasi antara 121 C (250 F) dan 135 C (275 F). Suhu ini mendekati Tg tetapi tetap di bawah permulaan penurunan modulus yang cepat untuk mencegah deformasi bagian. Tujuannya adalah untuk menggunakan suhu sedekat mungkin dengan permulaan ini tanpa menghasilkan distorsi bagian atau tingkat perubahan dimensi yang berlebihan. Ini akan sedikit bergantung pada geometri bagian dan tingkat dukungan yang dapat diberikan ke area yang cenderung paling rentan terhadap distorsi, seperti area di sekitar gerbang.
Parameter penting kedua adalah waktu anil. Ini akan tergantung pada ketebalan bagian. Plastik adalah konduktor panas yang relatif buruk, dan bagian tersebut harus dibiarkan mencapai suhu yang seragam di seluruh bagian. Rekomendasi tipikal adalah minimal 30 menit setelah komponen mencapai suhu yang diinginkan, ditambah ketebalan dinding 5 menit/mm (0,040 inci). Untuk bagian dengan bagian yang lebih tebal dari 6 mm (0,250 in) hasil terbaik diperoleh dengan menggandakan kali ini. Kegagalan untuk menyediakan waktu yang cukup untuk mencapai dan mempertahankan suhu yang seragam untuk jumlah waktu yang tepat dapat benar-benar menghasilkan peningkatan tingkat tegangan internal.
Mungkin kondisi terpenting yang terkait dengan annealing adalah laju perubahan suhu, terutama laju perubahan yang terjadi selama proses pendinginan. Idealnya, bagian-bagian harus dipanaskan dari suhu kamar ke suhu anil dengan laju tidak lebih dari 50 ° C/jam (90 ° F/jam). Tetapi bagian cooldown dari proses annealinglah yang memiliki pengaruh terbesar pada hasil. Sekali lagi, rekomendasi spesifik bervariasi.
Namun, pedoman yang baik adalah laju pendinginan tidak lebih cepat dari 25 C/jam (45 F/jam) hingga bagian-bagian tersebut mencapai suhu 60-65 C (140-149 F). Beberapa bagian mungkin perlu didinginkan pada kecepatan selambat 5 ° C/jam (9 ° F/jam). Kesalahan paling umum yang menghasilkan hasil anil yang tidak memuaskan adalah pendinginan terlalu cepat. Seringkali bagian dikeluarkan dari oven segera setelah waktu anil yang ditentukan selesai. Bagian mendingin dengan cepat dari suhu anil ke suhu kamar, membatalkan semua pekerjaan yang dilakukan oleh proses anil.
Tes akhir dari kemanjuran proses anil adalah evaluasi tegangan-retak pelarut. Untuk setiap polimer ada bahan kimia atau campuran bahan kimia yang akan menargetkan ambang batas tertentu dari tegangan internal. Seringkali pendekatan ini melibatkan campuran dua zat. Satu bertindak sebagai bahan inert sementara yang lain adalah bahan aktif yang mendorong keretakan stres. Dengan mengubah rasio kedua konstituen ini dalam campuran, tegangan ambang yang ditargetkan dapat disesuaikan sehingga tegangan di bagian tersebut dapat diukur dengan tepat.
ABS, misalnya, menggunakan campuran asetat seperti etil asetat dan alkohol seperti etanol. Konsentrasi asetat yang lebih tinggi yang diperlukan untuk menginduksi retak tegangan berkorelasi dengan tegangan internal yang lebih rendah di bagian tersebut. Pendekatan yang sama digunakan dalam polikarbonat. Namun, dengan polikarbonat campurannya adalah salah satu dari n-propanol dan toluena. Bagian direndam dalam campuran untuk waktu yang ditentukan, dikeluarkan dan dibilas, dan kemudian dievaluasi untuk retak. Lokasi retakan yang diamati membantu mengidentifikasi area bagian yang rentan terhadap pembentukan tingkat stres yang tinggi.
Pendekatan alternatif menggunakan reagen tunggal dan waktu perendaman yang diperlukan untuk menghasilkan retak tegangan terkait dengan tegangan internal pada bagian tersebut. Sebagai contoh, polikarbonat dapat diuji menggunakan propilen karbonat. Tingkat tegangan internal pada bagian tersebut merupakan fungsi dari waktu bagian tersebut terendam dalam fluida. Dengan salah satu metode tersebut, proses anil yang efektif akan menghasilkan pengurangan tegangan ambang batas yang signifikan.
Annealing polimer semi-kristal dilakukan untuk alasan yang sama sekali berbeda. Di segmen berikutnya, kita akan membahas proses ini dan panduan untuk mendapatkan hasil maksimal dari anil kelas polimer ini.
TENTANG PENULIS Mike Sepe adalah konsultan bahan dan pemrosesan global independen yang perusahaannya, Michael P. Sepe, LLC, berbasis di Sedona, Arizona. Dia memiliki lebih dari 40 tahun pengalaman di industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan material, merancang untuk manufakturabilitas, proses optimasi, pemecahan masalah, dan analisis kegagalan. Hubungi:(928) 203-0408 • [email protected].
