Materiales:Consejos de recocido para polímeros amorfos, Parte 2

Como discutimos brevemente en la Parte 1 el mes pasado, los polímeros amorfos son susceptibles de fallar por agrietamiento por tensión ambiental (ESC). Entendemos que este mecanismo es esencialmente una falla mecánica que se acelera por la presencia de una sustancia química que plastifica localmente el polímero en un área donde se ha creado un pequeño defecto.

El defecto puede ser una inclusión, como una pieza de metal o carbón carbonizado, o puede ser una muesca creada por un daño incidental. También puede deberse a un defecto de diseño, como una esquina afilada o un cambio rápido en el grosor de la pared de la pieza que crea un nivel de tensión localmente elevado. O puede ser promovido por un nivel elevado de estrés interno causado por las condiciones de moldeo. Los altos niveles de estrés interno son causados ​​por el rápido enfriamiento del polímero.

Una estrategia de procesamiento que implica un enfriamiento rápido también puede influir en las propiedades a corto plazo, sobre todo en la ductilidad. Esto es motivo de preocupación, ya que muchos polímeros amorfos, como ABS y PC, se utilizan en gran parte debido a su excelente tenacidad. La Figura 1 muestra los resultados de un estudio sobre los efectos de la temperatura de la masa fundida y del molde sobre la resistencia al impacto del ABS. Esto muestra que las muestras moldeadas exhiben una energía muy baja para romperse cuando la temperatura del molde se establece relativamente baja. A medida que aumenta la temperatura del molde, la resistencia al impacto aumenta drásticamente.

FIG 1 Las muestras moldeadas exhiben una energía de rotura muy baja cuando la temperatura del molde se establece relativamente baja. A medida que aumenta la temperatura del molde, la resistencia al impacto aumenta drásticamente.

Pero incluso con una temperatura de molde alta, la velocidad de enfriamiento de un polímero durante el proceso de moldeo por inyección es del orden de 150-300 ° C / min (270-540 ° F / min). Con un cambio de temperatura tan rápido, es inevitable cierto nivel de estrés interno. En situaciones en las que el entorno de aplicación implica una combinación de temperatura elevada, vida útil prolongada, tensiones que pueden exceder el límite proporcional y exposición a ciertos productos químicos, incluso niveles relativamente bajos de tensión interna pueden provocar una falla prematura debido al ESC. Los metaestudios de análisis de fallas han demostrado que el ESC es la principal causa de fallas de campo en piezas de plástico y este modo de falla afecta principalmente a los polímeros amorfos.

En los polímeros amorfos, el recocido se realiza para reducir las tensiones internas a un nivel que no se puede alcanzar en las condiciones de un proceso de moldeo normal. Hay algunos parámetros que son importantes para lograr los resultados deseados. El primero de ellos es la temperatura del proceso de recocido. Normalmente, la temperatura de recocido recomendada está indexada a la temperatura de transición vítrea (T _g ) del polímero. Esto se puede medir fácilmente mediante técnicas analíticas como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) o el análisis mecánico dinámico (DMA). El DMA tiene la ventaja de medir las propiedades físicas del polímero, por lo que proporciona más información sobre el rango de temperaturas que se pueden utilizar para relajar las tensiones internas en la pieza.

La Figura 2 proporciona un gráfico del módulo elástico en función de la temperatura para una PC típica. El T _g ocurre en la región de temperatura donde el módulo elástico del polímero disminuye rápidamente en un rango de temperatura muy estrecho de 140-155 C (284-311 F).

FIG 2 La temperatura de transición vítrea ocurre en la región de temperatura donde el módulo elástico del polímero disminuye rápidamente en un rango de temperatura muy estrecho de 140-155 C (284-311 F).

Las recomendaciones de una temperatura de recocido adecuada para el policarbonato varían entre 121 C (250 F) y 135 C (275 F). Estas temperaturas están cerca de la T _g pero permanecen por debajo del inicio de la rápida disminución del módulo para evitar la deformación de las piezas. El objetivo es utilizar una temperatura lo más cercana posible a este inicio sin producir una distorsión de la pieza o un grado excesivo de cambio dimensional. Esto dependerá en cierta medida de la geometría de la pieza y del nivel de soporte que se pueda proporcionar a las áreas que tienden a ser más susceptibles a la distorsión, como las áreas alrededor de las puertas.

El segundo parámetro importante es el tiempo de recocido. Esto dependerá del espesor de la pieza. Los plásticos son conductores de calor relativamente pobres, y se debe permitir que la pieza alcance una temperatura uniforme en todo momento. Las recomendaciones típicas son un mínimo de 30 min una vez que las piezas han alcanzado la temperatura deseada, más 5 min / mm (0,040 pulg.) De espesor de pared. Para piezas con secciones de más de 6 mm (0,250 in), los mejores resultados se obtienen duplicando este tiempo. Si no se proporciona el tiempo suficiente para alcanzar y mantener una temperatura uniforme durante un período de tiempo adecuado, es posible que en realidad se produzca un aumento en el nivel de tensión interna.

Quizás la condición más importante asociada con el recocido es la tasa de cambio de temperatura, particularmente la tasa de cambio que ocurre durante el proceso de enfriamiento. Idealmente, las piezas deben calentarse desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de recocido a una velocidad de no más de 50 ° C / h (90 ° F / h). Pero es la parte de enfriamiento del proceso de recocido la que tiene la mayor influencia en el resultado. Aquí nuevamente, las recomendaciones específicas varían.

Sin embargo, una buena pauta es una velocidad de enfriamiento que no supere los 25 C / h (45 F / h) hasta que las piezas hayan alcanzado una temperatura de 60-65 C (140-149 F). Es posible que algunas piezas deban enfriarse a una velocidad tan lenta como 5 ° C / h (9 ° F / h). El error más común que da como resultado un recocido insatisfactorio es el enfriamiento demasiado rápido. A menudo, las piezas se retiran del horno tan pronto como se completa el tiempo de recocido prescrito. Las piezas se enfrían rápidamente desde la temperatura de recocido hasta la temperatura ambiente, deshaciendo todo el trabajo realizado por el proceso de recocido.

La prueba definitiva de la eficacia de un proceso de recocido es una evaluación de grietas por tensión con disolvente. Para cada polímero hay una sustancia química o una mezcla de sustancias químicas que se dirigirán a un cierto umbral de estrés interno. A menudo, este enfoque implica una mezcla de dos sustancias. Uno actúa como ingrediente inerte mientras que el otro es el ingrediente activo que promueve el agrietamiento por estrés. Al cambiar la proporción de estos dos componentes en la mezcla, la tensión umbral objetivo se puede ajustar para que la tensión en la pieza se pueda medir con precisión.

El ABS, por ejemplo, utiliza una mezcla de un acetato como el acetato de etilo y un alcohol como el etanol. Las concentraciones más altas de acetato necesarias para inducir el agrietamiento por tensión se correlacionan con tensiones internas más bajas en la pieza. El mismo enfoque se utiliza en policarbonato. Sin embargo, con policarbonato, la mezcla es una de n-propanol y tolueno. Las piezas se sumergen en la mezcla durante un período de tiempo prescrito, se retiran, se enjuagan y luego se evalúan para detectar grietas. La ubicación de cualquier agrietamiento observado ayuda a identificar áreas de la pieza que son susceptibles a la formación de niveles elevados de tensión.

Un enfoque alternativo utiliza un solo reactivo y el tiempo de inmersión requerido para producir agrietamiento por tensión está relacionado con la tensión interna en la pieza. Como ejemplo, el policarbonato se puede probar usando carbonato de propileno. El nivel de tensión interna en la pieza es función del tiempo que la pieza está sumergida en el fluido. Con cualquiera de los métodos, un proceso de recocido eficaz producirá una reducción notable en la tensión umbral medida.

El recocido de polímeros semicristalinos se realiza por una razón completamente diferente. En nuestro próximo segmento discutiremos este proceso y las pautas para aprovechar al máximo el recocido de esta clase de polímeros.

SOBRE EL AUTOR Mike Sepe es un consultor de procesamiento y materiales global e independiente cuya empresa, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación y el proceso. optimización, resolución de problemas y análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 • [email protected].