Materiais:Dicas de recozimento para polímeros amorfos, Parte 2

Como discutimos brevemente na Parte 1 no mês passado, os polímeros amorfos são suscetíveis a falhas por craqueamento por estresse ambiental (ESC). Entendemos que esse mecanismo é essencialmente uma falha mecânica que é acelerada pela presença de um produto químico que plastifica localmente o polímero em uma área onde um pequeno defeito foi criado.

O defeito pode ser uma inclusão, como um pedaço de metal ou carvão, ou pode ser um entalhe criado por um dano acidental. Também pode ser devido a um defeito de projeto, como um canto agudo ou uma mudança rápida na espessura da parede da peça que cria um nível de tensão localmente elevado. Ou pode ser promovido por um elevado nível de estresse interno causado pelas condições de moldagem. Altos níveis de estresse interno são causados ​​pelo rápido resfriamento do polímero.

Uma estratégia de processamento que envolve resfriamento rápido também pode influenciar as propriedades de curto prazo, principalmente a ductilidade. Isso é uma preocupação, uma vez que muitos polímeros amorfos, como ABS e PC, são usados ​​em grande parte devido à sua excelente tenacidade. A Figura 1 mostra os resultados de um estudo sobre os efeitos da fusão e da temperatura do molde na resistência ao impacto do ABS. Isso mostra que as amostras moldadas exibem energia muito baixa para quebrar quando a temperatura do molde é ajustada relativamente baixa. Conforme a temperatura do molde aumenta, a resistência ao impacto aumenta dramaticamente.

FIG 1 Amostras moldadas exibem energia de ruptura muito baixa quando a temperatura do molde é ajustada relativamente baixa. Conforme a temperatura do molde aumenta, a resistência ao impacto aumenta dramaticamente.

Mas mesmo com uma alta temperatura de molde, a taxa de resfriamento de um polímero durante o processo de moldagem por injeção é da ordem de 150-300 ° C / min (270-540 ° F / min). Com uma mudança tão rápida na temperatura, algum nível de estresse interno é inevitável. Em situações onde o ambiente de aplicação envolve alguma combinação de temperatura elevada, vida útil prolongada, tensões que podem exceder o limite proporcional e exposição a certos produtos químicos, mesmo níveis relativamente baixos de tensão interna podem resultar em falha prematura devido ao ESC. Metaestudos de análise de falha mostraram que ESC é a principal causa de falhas de campo em peças de plástico e este modo de falha afeta principalmente polímeros amorfos.

Em polímeros amorfos, o recozimento é realizado para reduzir as tensões internas a um nível não alcançável nas condições de um processo de moldagem normal. Existem alguns parâmetros que são importantes para alcançar os resultados desejados. O primeiro deles é a temperatura do processo de recozimento. Normalmente, a temperatura de recozimento recomendada é indexada à temperatura de transição vítrea (T _g ) do polímero. Isso pode ser facilmente medido por técnicas analíticas, como calorimetria de varredura diferencial (DSC) ou análise mecânica dinâmica (DMA). O DMA tem a vantagem de medir as propriedades físicas do polímero, pois fornece mais informações sobre a faixa de temperaturas que pode ser utilizada para relaxar as tensões internas na peça.

A Figura 2 fornece um gráfico do módulo de elasticidade em função da temperatura para um PC típico. O T _g ocorre na região da temperatura onde o módulo de elasticidade do polímero diminui rapidamente ao longo de uma faixa de temperatura muito estreita de 140-155 C (284-311 F).

FIG 2 A temperatura de transição vítrea ocorre na região da temperatura onde o módulo de elasticidade do polímero diminui rapidamente ao longo de uma faixa de temperatura muito estreita de 140-155 C (284-311 F).



As recomendações de uma temperatura de recozimento apropriada para o policarbonato variam entre 121 C (250 F) e 135 C (275 F). Essas temperaturas estão próximas de T _g mas permaneça abaixo do início do rápido declínio no módulo, a fim de evitar a deformação das peças. O objetivo é usar uma temperatura o mais próximo possível desse início, sem produzir distorção da peça ou um grau excessivo de mudança dimensional. Isso dependerá um pouco da geometria da peça e do nível de suporte que pode ser fornecido às áreas que tendem a ser mais suscetíveis à distorção, como áreas ao redor de portões.

O segundo parâmetro importante é o tempo de recozimento. Isso dependerá da espessura da peça. Os plásticos são relativamente maus condutores de calor e deve-se permitir que a peça atinja uma temperatura uniforme. As recomendações típicas são de no mínimo 30 minutos depois que as peças atingirem a temperatura desejada, mais 5 minutos / mm (0,040 pol.) De espessura da parede. Para peças com seções com mais de 6 mm (0,250 pol.), Os melhores resultados são obtidos dobrando esse tempo. A falha em fornecer tempo suficiente para atingir e manter uma temperatura uniforme por um período de tempo apropriado pode, na verdade, produzir um aumento no nível de estresse interno.

Talvez a condição mais importante associada ao recozimento seja a taxa de mudança de temperatura, particularmente a taxa de mudança que ocorre durante o processo de resfriamento. Idealmente, as peças devem ser aquecidas da temperatura ambiente até a temperatura de recozimento a uma taxa de não mais do que 50 ° C / h (90 ° F / h). Mas é a parte de resfriamento do processo de recozimento que tem a maior influência no resultado. Aqui, novamente, as recomendações específicas variam.

No entanto, uma boa diretriz é uma taxa de resfriamento não superior a 25 C / h (45 F / h) até que as peças atinjam uma temperatura de 60-65 C (140-149 F). Algumas peças podem precisar ser resfriadas a uma taxa tão lenta quanto 5 ° C / h (9 ° F / h). O erro mais comum que resulta em um resultado de recozimento insatisfatório é o resfriamento muito rápido. Freqüentemente, as peças são removidas do forno assim que o tempo de recozimento prescrito é concluído. As peças resfriam rapidamente desde a temperatura de recozimento até a temperatura ambiente, desfazendo todo o trabalho que foi feito pelo processo de recozimento.

O teste final da eficácia de um processo de recozimento é uma avaliação de quebra de tensão por solvente. Para cada polímero, existe um produto químico ou uma mistura de produtos químicos que atingirá um determinado limite de estresse interno. Freqüentemente, essa abordagem envolve uma mistura de duas substâncias. Um atua como o ingrediente inerte, enquanto o outro é o ingrediente ativo que promove o stress cracking. Ao alterar a proporção desses dois constituintes na mistura, a tensão limite desejada pode ser ajustada de modo que a tensão na peça possa ser medida com precisão.

O ABS, por exemplo, usa uma mistura de um acetato, como o acetato de etila, e um álcool, como o etanol. As concentrações mais altas de acetato necessárias para induzir a fissuração por tensão se correlacionam com as tensões internas mais baixas na peça. A mesma abordagem é usada no policarbonato. No entanto, com o policarbonato, a mistura é de n-propanol e tolueno. As peças são imersas na mistura por um determinado período de tempo, removidas e enxaguadas e avaliadas quanto a rachaduras. A localização de qualquer rachadura observada ajuda a identificar áreas da peça que são suscetíveis à formação de níveis elevados de tensão.

Uma abordagem alternativa usa um único reagente e o tempo de imersão necessário para produzir craqueamento por tensão está relacionado ao estresse interno na peça. Como exemplo, o policarbonato pode ser testado usando carbonato de propileno. O nível de tensão interna na peça é função do tempo em que a peça fica imersa no fluido. Com qualquer um dos métodos, um processo de recozimento eficaz produzirá uma redução notável na tensão limite medida.

O recozimento de polímeros semicristalinos é feito por uma razão completamente diferente. Em nosso próximo segmento, discutiremos esse processo e as diretrizes para obter o máximo do recozimento dessa classe de polímeros.

SOBRE O AUTOR Mike Sepe é um consultor independente e global de materiais e processamento cuja empresa, Michael P. Sepe, LLC, está sediada em Sedona, Arizona. Ele tem mais de 40 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, projetos para capacidade de fabricação, processo otimização, solução de problemas e análise de falhas. Contato:(928) 203-0408 • [email protected].