Material Bagian 5:Tip Annealing untuk Polimer Tautan Silang
Sama seperti anil digunakan dalam termoplastik semi-kristal untuk menyempurnakan struktur kristal polimer, proses yang sama dapat digunakan untuk mendapatkan tingkat ikatan silang dalam polimer termoset yang mungkin tidak dapat dicapai dalam konteks siklus pencetakan. Perubahan properti yang terkait dengan peningkatan tingkat ikatan silang dalam banyak hal sangat mirip dengan yang terkait dengan peningkatan derajat kristalinitas.
Tetapi kristalisasi dan ikatan silang, sementara mereka merespons pengaruh pemrosesan dan pasca-pemrosesan yang sama, pada dasarnya adalah proses yang berbeda. Termoplastik telah dibangun dengan panjang rantai yang berguna sebelum mereka tiba di pabrik pengolahan, dan kristalisasi terjadi secara spontan dari lelehan saat suhu menurun. Di beberapa titik dalam proses pendinginan, kami mengamati transisi tajam dalam struktur material yang merupakan fungsi kimia material dan tekanan sekitar atau yang diterapkan.
Setelah titik kritis tercapai, proses kristalisasi berlanjut, asalkan material tetap berada di atas suhu transisi gelas. Suhu tersebut (Tg ) pada dasarnya adalah konstanta untuk setiap polimer tertentu, selama berat molekul cukup tinggi untuk dikaitkan dengan sifat mekanik yang berguna, sehingga kondisi anil yang diperlukan untuk mendorong kristalisasi tambahan dapat diprediksi.
Bahan yang terikat silang tiba di pabrik pengolahan sebagai barang dalam proses. Kimia bahan telah dibentuk melalui reaksi kimia yang telah dihentikan sebelum polimerisasi benar-benar dapat dimulai, keadaan yang sering disebut sebagai "prapolimer." Bahan ini mampu menjalani reaksi lebih lanjut untuk membuat polimer yang berkembang penuh. Reaksi ini didorong oleh suhu tinggi dan bergantung pada keberadaan gugus reaktif yang merupakan bagian dari prapolimer, dan katalis.
Peningkatan Tg sekitar 30°C dapat dicapai dalam waktu sekitar 18 jam setelah pemanggangan. Tetapi peningkatan tambahan dengan besaran yang sama akan membutuhkan 146 jam mengikuti model yang dibuat di sini. (Sumber:Plenco)
Fenolik, polimer sintetik pertama yang sesungguhnya, adalah anggota yang terkenal dari keluarga material ini. Bahan ini dimulai dari reaksi fenol dengan formaldehida. Sebagai tahap awal reaksi berlangsung, produk meningkatkan viskositas dan mungkin di beberapa titik menjadi lengket, bahan kental yang dapat berguna sebagai perekat. Jika proses ini dilanjutkan, material dapat menjadi padat dengan titik leleh yang relatif rendah. Kemudian dapat dihaluskan dan digabungkan dengan katalis dan pengisi yang sesuai, yang pada saat itu telah menjadi resin cetakan.
Dalam bentuk ini bahan memiliki suhu leleh atau pelunakan yang rendah dan Tg . yang lebih rendah lagi . Namun, ketika bahan ini mengalami suhu tinggi, yang biasanya disediakan oleh cetakan yang dipanaskan, reaksi kimia melanjutkan proses polimerisasi, meningkatkan berat molekul polimer dengan membentuk ikatan silang antara rantai yang sudah terbentuk, serta memperpanjang rantai tersebut. . Ini adalah deskripsi polimerisasi yang sangat disederhanakan dalam bahan termoset.
Tetapi perhatian utama untuk diskusi ini adalah kenyataan bahwa dalam proses pembentukan bagian, kami juga membuat bahan jadi. Sifat-sifat bagian akan tergantung pada tingkat yang signifikan pada tingkat ikatan silang yang terbentuk dan ini, pada gilirannya, ditentukan oleh suhu cetakan dan waktu bagian tersebut berada dalam cetakan. Idealnya, bagian yang keluar dari cetakan terdiri dari bahan dengan Tg . yang tinggi yang terkait dengan tingkat persilangan.
Tetapi seperti pembentuk mungkin tidak mencapai semua kristalinitas yang diinginkan dalam termoplastik semi-kristal, mereka juga tidak dapat mencapai semua ikatan silang yang diinginkan dalam polimer termoset dalam waktu siklus yang ditentukan. Dalam kasus tersebut, anil dilakukan untuk meningkatkan tingkat ikatan silang. Dalam bahasa industri, ini sering disebut sebagai post-baking. Gagasan di balik pasca-pembakaran adalah untuk mendorong tingkat ikatan silang ke tingkat yang lebih tinggi tanpa memperpanjang waktu siklus pencetakan atau beralih ke suhu cetakan yang lebih tinggi. Ini sangat berguna dalam polimer seperti fenolat dan polimida yang berikatan silang melalui proses yang dikenal sebagai mekanisme kondensasi. Jenis bahan ini memiliki kemampuan untuk mengalami ikatan silang tambahan hingga tingkat yang signifikan di bawah pengaruh suhu tinggi yang terkait dengan pasca-pembakaran.
Manfaat post-baking untuk mencapai tingkat ikatan silang yang lebih tinggi dalam polimer termoset serupa dengan yang diperoleh melalui termoplastik semi-kristal annealing. Kekuatan mekanik dan modulus meningkat, dan dengan perubahan itu terjadi peningkatan dalam ketahanan mulur dan lelah. Stabilitas dimensi pada suhu tinggi juga akan ditingkatkan, sementara keuletan akan menurun. Dan seperti halnya masalah dengan perubahan dimensi selama anil termoplastik semi-kristal, masalah yang sama dapat terjadi dengan pasca-pemanggangan.
Dalam kasus termoplastik semi-kristal, kami menyentuh fakta bahwa jika terlalu sedikit kristalinitas yang diperoleh selama proses pencetakan, upaya untuk membuat perbedaan dengan anil dapat mengakibatkan masalah yang tidak dapat dikelola dengan penyusutan dan lengkungan. Pada beberapa bahan yang disambungkan, masalah tambahan yang dapat timbul adalah melepuhnya bagian tersebut. Hal ini disebabkan oleh produk sampingan yang mudah menguap yang dihasilkan secara alami selama reaksi polimerisasi kondensasi. Dalam kasus fenolik pasca pemanggangan, senyawa yang dilepaskan adalah amonia. Jika amonia tidak dapat berdifusi cukup cepat melalui dinding bagian, itu akan menghasilkan distorsi pada bagian tersebut.
Grafik ini menunjukkan hubungan antara suhu cetakan dan Tg polimer pada bagian tersebut. Dengan suhu cetakan yang lebih tinggi, akan ada lebih sedikit pekerjaan yang harus dilakukan setelah pemanggangan untuk mencapai tingkat kinerja yang diinginkan. (Sumber:Plenco)
Waktu yang dibutuhkan untuk pasca-pembakaran akan tergantung pada tujuannya. Berbeda dengan proses annealing semi-kristal termoplastik, salah satu konsekuensi penting dari pasca-pembakaran bahan ikatan silang adalah peningkatan Tg . Peningkatan ini tergantung pada waktu dan suhu, dan hubungannya tidak linier. Jadi, penting untuk memahami materi, keadaannya saat dikeluarkan dari cetakan, dan kinerja yang dibutuhkan untuk aplikasi. Perbedaan utama lainnya antara anil dalam kristal dalam polimer semi-kristal dan meningkatkan kerapatan ikatan silang polimer termoset adalah bahwa dalam termoplastik semi-kristal suhu anil harus melebihi Tg dari polimer. Ini belum tentu terjadi pada termoset. Sebuah resin fenolik dengan Tg . sebagai cetakan dari 175 C dapat pasca-panggang pada 160 C dan Tg akan meningkat.
Gambar 1 menunjukkan hubungan antara waktu dan kenaikan Tg dalam bahan fenolik, dari pekerjaan yang dilakukan oleh Ted Morrison di Plenco. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi peningkatan Tg sekitar 30 ° C dapat dicapai dalam waktu sekitar 18 jam setelah pemanggangan. Tetapi peningkatan tambahan dengan besaran yang sama akan membutuhkan 146 jam mengikuti model yang dibuat dalam grafik. Suhu pasca-panggang yang lebih tinggi dapat digunakan, tetapi hal ini berisiko menimbulkan masalah pada kulit yang melepuh dan melengkung.
Alternatifnya, seperti yang terjadi pada semua bahan yang telah kita bahas sampai saat ini, adalah mengembangkan lebih banyak struktur pada bagian tersebut selama proses pencetakan dengan menggunakan suhu cetakan yang lebih tinggi. Gambar 2 menunjukkan hasil lain dari studi Morrison yang membuat hubungan antara suhu cetakan dan Tg polimer di bagian tersebut. Jelas bahwa dengan suhu cetakan yang lebih tinggi, akan ada lebih sedikit pekerjaan yang harus dilakukan setelah pemanggangan untuk mencapai tingkat kinerja yang diinginkan.
Di kolom kami berikutnya, kami akan meninjau praktik anil dalam poliuretan termoplastik, di mana beberapa manfaat luar biasa dapat dicapai dalam waktu yang relatif singkat.
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].
