Matériaux de la partie 3 :Conseils de recuit pour les polymères semi-cristallins
Le recuit des polymères amorphes est généralement effectué pour réduire la contrainte interne dans une pièce en dessous des niveaux pouvant être atteints pendant le processus de moulage. Cependant, dans les polymères semi-cristallins, l'objectif du recuit est d'établir un niveau de cristallinité qui ne peut pas être pratiquement obtenu dans les paramètres d'un cycle de moulage normal.
Chaque polymère semi-cristallin a la capacité de cristalliser dans une certaine mesure qui dépend de la structure chimique de la chaîne polymère. Le HDPE a une chaîne flexible et rationalisée qui permet une cristallisation efficace à un pourcentage très élevé, tandis qu'un matériau comme le PEEK atteint un niveau de cristallinité modeste même dans les conditions de traitement les plus soigneusement contrôlées.
Des niveaux optimaux de cristallinité améliorent une large gamme de propriétés qui incluent la résistance, le module, la résistance au fluage et à la fatigue, et la stabilité dimensionnelle. Cette dernière propriété est très importante dans les applications où des tolérances très strictes doivent être maintenues dans les pièces qui seront utilisées à des températures élevées. La cristallisation est contrôlée par la vitesse de refroidissement et se produit à une vitesse rapide pendant le processus de fabrication. Pour atteindre ce qui est considéré comme un niveau de cristallisation optimal, la température du moule doit être maintenue au-dessus de la température de transition vitreuse du polymère. Cela favorise un niveau de mobilité moléculaire qui permet aux cristaux de se former.
La cristallisation ne peut se produire que dans la fenêtre de température en dessous du point de fusion cristalline et au-dessus de la température de transition vitreuse (Tg ). Prenons l'exemple du PPS. Le point de fusion du PPS est de 280 C (536 F) tandis que le Tg est d'environ 130 C (266 F) lorsqu'il est déterminé à partir d'une propriété mécanique dynamique particulière. Par conséquent, la ligne directrice pour le réglage de la température du moule pour assurer une cristallisation correcte est au minimum de 135 C (275 F). Les transformateurs qui prêtent attention à cette exigence sélectionneront généralement des températures de moule de 135-150 C (275-302 F). Mais même lorsque ce paramètre est correctement contrôlé, la vitesse de refroidissement relativement rapide impliquée dans le traitement à l'état fondu et le temps limité que la pièce passe dans le moule limiteront l'obtention de la structure cristalline à environ 90 % de ce qui est théoriquement réalisable.
Nous savons que la vitesse de cristallisation n'est pas constante sur toute la plage de température entre Tg et Tm (point de fusion. Dans de nombreux polymères, les cristaux se forment le plus rapidement à une température approximativement à mi-chemin entre ces deux extrêmes. Par conséquent, pour obtenir le taux de cristallisation le plus efficace en PPS, nous utiliserions une température de moule de 205 C (401 F). Ce est une température de moule plus difficile à maintenir, et la différence de propriétés mécaniques entre une pièce produite à cette température de moule plus élevée et une pièce produite à une température de moule plus basse est relativement faible. Par conséquent, la pratique typique consiste à utiliser la température de moule plus basse.
Cependant, si la pièce moulée doit fonctionner à 200 C, l'exposition à cette température d'application produira une cristallisation supplémentaire pendant l'utilisation du produit. Nous savons qu'à mesure que les matériaux se cristallisent, ils rétrécissent. Ainsi, une pièce qui est moulée sur le terrain aux dimensions appropriées et qui est ensuite exposée à des températures d'application très élevées peut changer de taille en cours d'utilisation. Si ce changement dimensionnel crée un problème fonctionnel pour le produit, il est alors nécessaire de stabiliser les dimensions de la pièce avant sa mise en service. Cela se fait par recuit.
Dans les polymères amorphes, la température de recuit doit approcher le Tg du polymère. Cependant, pour produire le résultat souhaité lors du recuit d'un matériau semi-cristallin, la température de recuit doit dépasser la Tg du polymère. Le temps nécessaire dépendra de l'épaisseur de la paroi de la pièce, comme c'est le cas pour les polymères amorphes. Mais l'autre facteur qui influence le temps requis sera la température de recuit.
Comme mentionné ci-dessus, la température de recuit cible est souvent le point médian entre Tg et Tm . Des températures plus basses nécessiteront un temps de recuit plus long. Un autre facteur déterminant dans le choix d'une température de recuit est la température maximale à laquelle la pièce sera exposée en application. Si une pièce est recuite à 200 C mais est ensuite utilisée à 225 C, de nouveaux cristaux se formeront à la température d'utilisation plus élevée qui n'ont pas été formés pendant le processus de recuit. Cela produira des changements dimensionnels supplémentaires qui peuvent être problématiques. Par conséquent, la température de recuit doit être égale ou légèrement supérieure à la température maximale à laquelle la pièce sera utilisée. Tout comme les polymères amorphes ne peuvent pas supporter des températures de recuit supérieures à leur Tg , les polymères semi-cristallins ne peuvent pas être recuits à des températures dépassant leur point de fusion cristalline.
Le temps de recuit est mieux établi expérimentalement pour une géométrie de pièce particulière. Dans les polymères amorphes, le test utilisé pour établir que l'objectif du recuit est atteint est le test au solvant qui mesure la contrainte résiduelle dans la pièce. Dans les résines semi-cristallines, la référence est la stabilité dimensionnelle. Une pièce correctement recuite moulée dans un matériau semi-cristallin doit être capable de résister à une exposition à une routine temps-température représentative d'un environnement d'application dans le pire des cas sans présenter un changement supplémentaire de dimensions.
Un bon exemple de ce principe peut être illustré pour les pièces conçues pour une exposition à une température de 85 C (185 F) pendant des périodes allant jusqu'à 8 heures. Un assemblage produit à partir de deux composants qui avaient chacun été recuits à 70 °C (158 °F) pendant 1 heure présentait des changements dimensionnels lors de l'exposition aux conditions d'application. Ces changements ont provoqué le grippage des pièces lors de l'utilisation de l'ensemble, le rendant non fonctionnel. Le recuit à 110 C pendant la même période d'une heure a donné des assemblages qui n'ont affiché aucun changement de fonction après exposition à l'environnement d'application.
Il existe une autre raison pour choisir une température de recuit qui dépasse la température d'utilisation anticipée la plus élevée. Les cristaux qui se forment alors qu'un matériau est à l'état solide ne sont pas aussi gros ou aussi parfaits que ceux qui se forment lorsque le matériau se refroidit à partir de la fusion. Par conséquent, ils n'ont pas les mêmes propriétés et ils n'apportent pas les mêmes avantages à la structure globale du matériau. Plus précisément, les cristaux formés à une température de recuit particulière fondront à une température de quelques degrés au-dessus de la température à laquelle ils ont été produits. Par conséquent, les cristaux produits à une température inférieure à la température d'utilisation maximale de la pièce ne survivront pas à cette exposition et ne sont pas utiles.
Du fait qu'un retrait supplémentaire lors du recuit d'un matériau semi-cristallin est inévitable, les dimensions de la pièce brute de moulage doivent être supérieures aux dimensions finales de la cible. Cela peut nécessiter que les pièces soient moulées hors d'impression afin qu'elles puissent rencontrer l'impression une fois qu'elles sont passées par le processus de recuit. Il est donc important qu'une relation soit établie entre les dimensions brutes de moulage et les dimensions recuites.
Les températures de recuit pour de nombreux polymères semi-cristallins sont suffisamment élevées pour produire d'autres effets sur le polymère qui sont potentiellement dommageables. Par exemple, le point médian entre le Tg et le Tm du nylon 66 est 160 C (320 F). A cette température, le nylon peut s'oxyder rapidement. Cela peut entraîner une modification de la couleur du matériau, mais plus important encore, cela peut entraîner une perte permanente des propriétés mécaniques, en particulier celles associées à la ductilité. Par conséquent, pour des matériaux comme les nylons, le recuit est mieux effectué soit dans une atmosphère inerte, sous vide, soit dans un fluide qui agira comme une barrière à l'oxygène et n'altérera pas les propriétés du matériau. Par exemple, les pièces en nylon peuvent être recuites dans de l'huile minérale chaude pour empêcher l'oxydation et améliorer le transfert de chaleur. L'huile minérale n'étant pas polaire, le nylon n'absorbera pas l'huile et aucun effet plastifiant ne sera observé.
Le recuit dans les matériaux semi-cristallins est idéalement réalisé afin de parfaire la structure d'une pièce déjà moulée selon des procédés optimaux. Cependant, certains processeurs utilisent la stratégie de recuit pour éviter les exigences des températures de moule élevées nécessaires pour cristalliser correctement les matériaux haute performance tels que le PPS, le PEEK et le PPA. Cela peut entraîner de graves lacunes dans les performances des pièces et des difficultés importantes avec le contrôle du processus. Dans notre prochain article, nous examinerons ces problèmes de plus près.
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].
Résine
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