Materials Part 1 :Que peut faire le recuit pour votre processus

Le recuit peut soulager les contraintes dans les matériaux amorphes et augmenter la cristallinité des résines semi-cristallines. (Photo :Four de recuit de Grieve Corp.)

Le recuit des plastiques n'est pas effectué dans le cadre de la plupart des procédés de fabrication. Il y a des exceptions. Les produits d'épaisseur importante tels que les tiges pleines, les tubes à paroi épaisse et les tôles sont souvent recuits en tant qu'étape préparatoire à l'usinage. Ceci est fait pour stabiliser la structure du matériau et réduire les contraintes internes, pour les mêmes raisons que le processus est conduit dans les matériaux métalliques. Dans tous les produits fabriqués par traitement à l'état fondu, les vitesses de refroidissement relativement rapides associées à ces processus introduisent un certain niveau de contrainte interne et un écart par rapport à un état d'équilibre. Dans les cas où cela produit un niveau de contrainte interne qui crée des problèmes fonctionnels lors de l'utilisation, un recuit peut être effectué pour réduire la contrainte à des niveaux qui peuvent ne pas être réalisables pendant le traitement.

La raison d'être du recuit et l'effet qu'il a sur le matériau dépendront grandement du polymère recuit. Dans les polymères amorphes, l'objectif est de réduire les contraintes internes. Les pièces qui sont produites dans un processus bien contrôlé qui accorde une attention appropriée à l'importance de la vitesse de refroidissement peuvent contenir des contraintes internes inférieures à 1000 psi. Mais les pièces qui se refroidissent rapidement peuvent présenter des contraintes internes deux à trois fois plus élevées. Plus la sollicitation interne est élevée, moins le produit sera capable de gérer les sollicitations externes sans défaillance. De plus, les défaillances des pièces qui contiennent un niveau élevé de contraintes internes sont plus susceptibles d'être fragiles.

Même si l'application ne devrait pas impliquer un niveau élevé de contraintes externes, des contraintes internes élevées peuvent augmenter la susceptibilité à la fissuration sous contrainte environnementale (ESC). Les polymères amorphes sont particulièrement susceptibles de présenter un ESC s'ils sont exposés à certains agents chimiques. Ces agents chimiques peuvent être présents sous forme de solvants, de plastifiants, d'agents de nettoyage, de produits antirouille et d'adhésifs, et un contact prolongé d'un polymère amorphe avec ces fluides peut entraîner des défaillances de l'ESC. Dans ces types d'environnements, le recuit peut faire la différence entre le succès et l'échec.

Dans les polymères semi-cristallins, le but du recuit est fondamentalement différent. Les polymères semi-cristallins sont utilisés en raison des attributs mécaniques et thermiques qui découlent de leur cristallinité. Le degré de cristallinité régit les propriétés telles que la résistance, le module, la rétention des propriétés mécaniques au-dessus de la température de transition vitreuse, la résistance chimique, la résistance à la fatigue et au fluage, et les propriétés tribologiques. Tout comme les contraintes internes dans les polymères amorphes sont minimisées par des vitesses de refroidissement plus lentes, la cristallinité dans un polymère semi-cristallin est maximisée en ralentissant la vitesse à laquelle le matériau est refroidi.

Mais même dans le meilleur des cas, les vitesses de refroidissement associées au traitement par fusion donnent une pièce qui possède environ 90 % de la cristallinité réalisable. Dans la plupart des cas, cela suffit. Mais dans les cas où ce n'est pas le cas, un recuit est effectué pour fournir ces 10 % supplémentaires.

La possibilité de formation de cristaux se produit dans une fenêtre de température inférieure au point de fusion du polymère et supérieure à sa température de transition vitreuse (T_g ). Par conséquent, la température de recuit doit être supérieure à la T_g afin d'obtenir le résultat souhaité. Les taux de cristallisation optimaux sont généralement obtenus près du point médian entre le point de fusion et le T_g . A titre d'exemple, le nylon 66, avec un T_g de 60 C (140 F) et un point de fusion de 260 C (500 F), recuit plus efficacement à environ 160 C (320 F).

Dans les matériaux réticulés, le processus de recuit est effectué pour des raisons similaires à celles qui régissent les thermoplastiques semi-cristallins. Tout comme les processus de moulage ont du mal à atteindre le niveau de cristallisation le plus élevé possible, ils n'atteignent généralement pas non plus le niveau optimal de réticulation. Bien que cela puisse être accompli en allongeant le temps de cycle, la rentabilité ne favorise souvent pas une telle approche et il est plus efficace de réchauffer un grand nombre de pièces après moulage. Dans l'industrie thermodurcissable, cela est généralement appelé post-cuisson et est le plus souvent effectué sur des polymères tels que les phénoliques et les polyimides.

Cependant, de nombreux praticiens de l'industrie ont également trouvé des avantages à effectuer cette opération sur des polyesters insaturés, des époxy et des silicones. Pour que le processus de post-cuisson fasse progresser efficacement la densité de réticulation du matériau, la température du processus de cuisson doit dépasser la T_g du polymère dans la pièce moulée. Comme nous le verrons dans un article ultérieur, certains thermoplastiques nécessitent également une post-cuisson afin d'obtenir des propriétés optimales.

Certains élastomères bénéficient également d'un processus de post-cuisson ou de recuit. Comme pour les thermoplastiques semi-cristallins et les polymères rigides réticulés, l'objectif n'est pas la réduction des contraintes internes, mais plutôt un réarrangement structurel qui améliore les performances mécaniques et thermiques. Ce procédé peut être utile dans les élastomères thermoplastiques tels que les polyuréthanes, et il a également été démontré qu'il améliore les performances dans les systèmes réticulés tels que le caoutchouc de silicone. Le processus est particulièrement utile pour fournir des performances optimales dans les applications où une exposition prolongée à des températures élevées est impliquée.

Pour que ces procédés atteignent le résultat souhaité, les conditions spécifiques de température et de temps de recuit ou de post-cuisson sont critiques. La vitesse de refroidissement une fois le processus de chauffage terminé est tout aussi importante dans certains de ces cas. L'incapacité à gérer ce processus de refroidissement est souvent la raison pour laquelle le recuit n'atteint pas le résultat souhaité. C'est un paramètre qui est souvent négligé.

Dans les articles suivants de cette série, nous discuterons des différentes exigences relatives aux thermoplastiques amorphes, aux thermoplastiques semi-cristallins, aux matériaux réticulés et aux élastomères. Nous discuterons également des limites de ce processus pour obtenir des résultats positifs sans introduire de conséquences négatives imprévues.

À PROPOS DE L'AUTEUR : ​​Mike Sepe est un consultant mondial indépendant en matériaux et en traitement dont la société, Michael P. Sepe, LLC, est basée à Sedona, en Arizona. Il a plus de 40 ans d'expérience dans l'industrie des plastiques et assiste ses clients dans la sélection des matériaux, la conception pour la fabrication, le processus optimisation, dépannage et analyse des pannes. Contact :(928) 203-0408 • [email protected].