Bagian 3 Bahan:Tip Annealing untuk Polimer Semikristalin

Annealing polimer amorf biasanya dilakukan untuk mengurangi tegangan internal pada bagian di bawah tingkat yang dapat dicapai selama proses pencetakan. Namun, dalam polimer semikristalin, tujuan anil adalah untuk menetapkan tingkat kristalinitas yang secara praktis tidak dapat diperoleh dalam parameter siklus pencetakan normal.

Setiap polimer semikristalin memiliki kemampuan untuk mengkristal sampai batas tertentu yang bergantung pada struktur kimia rantai polimer. HDPE memiliki rantai yang fleksibel dan ramping yang memungkinkan kristalisasi yang efisien hingga persentase yang sangat tinggi, sementara bahan seperti PEEK mencapai tingkat kristalinitas yang sederhana bahkan di bawah kondisi proses yang paling terkontrol dengan hati-hati.

Tingkat kristalinitas yang optimal meningkatkan berbagai sifat yang mencakup kekuatan, modulus, ketahanan mulur dan lelah, dan stabilitas dimensi. Properti terakhir ini sangat penting dalam aplikasi di mana toleransi yang sangat ketat harus dipertahankan di bagian yang akan digunakan pada suhu tinggi. Kristalisasi dikendalikan oleh laju pendinginan dan terjadi pada laju yang cepat selama proses fabrikasi. Untuk mencapai apa yang dianggap sebagai tingkat kristalisasi yang optimal, suhu cetakan harus dipertahankan di atas suhu transisi gelas polimer. Ini meningkatkan tingkat mobilitas molekuler yang memungkinkan kristal terbentuk.

Kristalisasi hanya dapat terjadi pada jendela suhu di bawah titik leleh kristal dan di atas suhu transisi gelas (T_g ). Pertimbangkan PPS sebagai contoh. Titik leleh PPS adalah 280 C (536 F) sedangkan T_g adalah sekitar 130 C (266 F) bila ditentukan dari sifat mekanik dinamis tertentu. Oleh karena itu, pedoman untuk mengatur suhu cetakan untuk memastikan kristalisasi yang tepat adalah minimum 135 C (275 F). Prosesor yang memperhatikan persyaratan ini biasanya akan memilih suhu cetakan 135-150 C (275-302 F). Tetapi bahkan ketika parameter ini dikontrol dengan benar, laju pendinginan yang relatif cepat yang terlibat dalam pemrosesan lelehan dan waktu terbatas yang dihabiskan bagian dalam cetakan akan membatasi pencapaian struktur kristal hingga sekitar 90% dari apa yang secara teoritis dapat diperoleh.

Kita tahu bahwa laju kristalisasi tidak konstan di seluruh rentang suhu antara T_g dan T_m (titik leleh. Dalam banyak polimer, kristal terbentuk paling cepat pada suhu kira-kira di tengah antara dua ekstrem ini. Oleh karena itu, untuk mencapai laju kristalisasi paling efisien dalam PPS, kami akan menggunakan suhu cetakan 205 C (401 F). Ini adalah suhu cetakan yang lebih menantang untuk dipertahankan, dan perbedaan sifat mekanik antara bagian yang diproduksi pada suhu cetakan yang lebih tinggi ini dan yang diproduksi pada suhu cetakan yang lebih rendah relatif kecil. Oleh karena itu, praktik yang umum adalah menggunakan suhu cetakan yang lebih rendah.

Namun, jika bagian yang dicetak perlu beroperasi pada 200 C, paparan suhu aplikasi ini akan menghasilkan kristalisasi tambahan saat produk sedang digunakan. Kita tahu bahwa saat bahan mengkristal, mereka menyusut. Jadi, bagian yang masuk ke lapangan dicetak ke dimensi yang tepat dan kemudian terkena suhu aplikasi yang sangat tinggi dapat berubah ukuran saat digunakan. Jika perubahan dimensi ini menimbulkan masalah fungsional untuk produk, maka perlu untuk menstabilkan dimensi bagian sebelum mulai digunakan. Ini dilakukan melalui anil.

Suhu anil target sering kali merupakan titik tengah antara T_g dan T_m . Temperatur yang lebih rendah akan membutuhkan waktu anil yang lebih lama. (Foto:Oven anil dari Grieve Corp.)

Dalam polimer amorf suhu anil perlu mendekati T_g dari polimer. Namun, untuk menghasilkan hasil yang diinginkan saat menganil bahan semikristalin, suhu anil harus melebihi T_g dari polimer. Waktu yang dibutuhkan akan tergantung pada ketebalan dinding bagian, seperti halnya untuk polimer amorf. Tetapi faktor lain yang mempengaruhi waktu yang dibutuhkan adalah suhu anil.

Seperti disebutkan di atas, suhu anil target sering kali merupakan titik tengah antara T_g dan T_m . Temperatur yang lebih rendah akan membutuhkan waktu anil yang lebih lama. Faktor penentu lain dalam memilih suhu anil adalah suhu maksimum di mana bagian akan diekspos dalam aplikasi. Jika suatu bagian dianil pada 200 C tetapi kemudian digunakan pada 225 C, kristal baru akan terbentuk pada suhu penggunaan yang lebih tinggi yang tidak terbentuk selama proses anil. Ini akan menghasilkan perubahan dimensi tambahan yang mungkin bermasalah. Oleh karena itu, suhu anil harus sama atau sedikit lebih besar dari suhu maksimum di mana bagian akan digunakan. Sama seperti polimer amorf yang tidak dapat menahan suhu anil di atas T_g , polimer semikristalin tidak dapat dianil pada suhu yang melebihi titik leleh kristalnya.

Waktu anil paling baik ditetapkan secara eksperimental untuk geometri bagian tertentu. Dalam polimer amorf, uji yang digunakan untuk menetapkan bahwa tujuan anil telah terpenuhi adalah uji pelarut yang mengukur tegangan sisa pada bagian tersebut. Dalam resin semikristalin patokannya adalah stabilitas dimensi. Bagian yang dianil dengan benar yang dicetak dalam bahan semikristalin harus mampu menahan paparan perwakilan rutin suhu waktu dari lingkungan aplikasi kasus terburuk tanpa menunjukkan perubahan dimensi tambahan.

Contoh yang baik dari prinsip ini dapat diilustrasikan untuk bagian yang dirancang untuk paparan suhu 85 C (185 F) untuk periode hingga 8 jam. Rakitan yang dihasilkan dari dua bagian komponen yang masing-masing telah dianil pada 70 C (158 F) selama 1 jam menunjukkan perubahan dimensi saat terpapar pada kondisi aplikasi. Perubahan ini menyebabkan bagian-bagian tersebut menjadi terikat saat perakitan dioperasikan, sehingga tidak berfungsi. Anil pada 110 C untuk periode 1 jam yang sama menghasilkan rakitan yang tidak menampilkan perubahan fungsi setelah terpapar lingkungan aplikasi.

Ada alasan lain untuk memilih suhu anil yang melebihi suhu penggunaan tertinggi yang diantisipasi. Kristal yang terbentuk saat material dalam keadaan padat tidak sebesar atau sesempurna yang terbentuk saat material mendingin dari lelehan. Akibatnya, mereka tidak memiliki sifat yang sama dan mereka tidak memberikan manfaat yang sama pada keseluruhan struktur material. Secara khusus, kristal yang terbentuk pada suhu anil tertentu akan meleleh pada suhu hanya beberapa derajat di atas suhu di mana mereka diproduksi. Oleh karena itu, kristal yang dihasilkan pada suhu di bawah suhu penggunaan maksimum bagian tersebut tidak akan bertahan dari paparan tersebut dan tidak berguna.

Karena penyusutan tambahan selama anil bahan semikristalin tidak dapat dihindari, dimensi bagian cetakan harus lebih besar dari dimensi target akhir. Ini mungkin mengharuskan bagian dicetak keluar dari cetakan sehingga mereka dapat memenuhi cetakan setelah melalui proses anil. Oleh karena itu, penting untuk menjalin hubungan antara dimensi cetakan dan dimensi anil.

Temperatur anil untuk banyak polimer semikristalin cukup tinggi untuk menghasilkan efek lain pada polimer yang berpotensi merusak. Misalnya, titik tengah antara T_g dan T_m nilon 66 adalah 160 C (320 F). Pada suhu ini nilon dapat teroksidasi dengan cepat. Hal ini dapat menyebabkan perubahan warna material, tetapi yang lebih penting dapat mengakibatkan hilangnya sifat mekanik secara permanen, terutama yang berhubungan dengan daktilitas. Akibatnya, untuk bahan seperti nilon anil paling baik dilakukan baik di atmosfer inert, di bawah vakum, atau dalam cairan yang akan bertindak sebagai penghalang oksigen dan tidak akan mengubah sifat material. Misalnya, bagian nilon dapat dianil dalam minyak mineral panas untuk mencegah oksidasi dan meningkatkan perpindahan panas. Karena minyak mineral bersifat nonpolar, nilon tidak akan menyerap minyak dan tidak akan terlihat efek plastisitas.

Anil pada bahan semikristalin idealnya dilakukan untuk menyempurnakan struktur bagian yang telah dicetak sesuai prosedur yang optimal. Namun, beberapa prosesor menggunakan strategi anil untuk menghindari tuntutan suhu cetakan tinggi yang diperlukan untuk mengkristalkan material berkinerja tinggi dengan benar seperti PPS, MENGINTIP, dan PPA. Hal ini dapat menyebabkan kekurangan yang serius dalam kinerja bagian dan kesulitan yang signifikan dengan pengendalian proses. Dalam artikel kami berikutnya, kami akan melihat masalah ini lebih dekat.

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].