材料：无定形聚合物的退火技巧，第 2 部分

正如我们在上个月的第 1 部分中简要讨论的那样，无定形聚合物容易因环境应力开裂 (ESC) 而失效。我们理解这种机制本质上是一种机械故障，由于存在一种化学物质，该化学物质在产生小缺陷的区域局部塑化聚合物，从而加速了机械故障。

缺陷可以是夹杂物，例如一块金属或碳焦，也可以是由偶然损坏造成的缺口。也可能是由于设计缺陷，例如尖角或零件壁厚的快速变化，导致局部应力水平升高。或者，它可以通过成型条件引起的内应力水平升高来促进。聚合物的快速冷却会导致高水平的内应力。

涉及快速冷却的加工策略也会影响短期特性，尤其是延展性。这是一个令人担忧的问题，因为许多无定形聚合物，例如 ABS 和 PC，在很大程度上是因为它们具有出色的韧性而被使用。图 1 显示了熔体和模具温度对 ABS 抗冲击性影响的研究结果。这表明，当模具温度设置得相对较低时，成型样品的断裂能量非常低。随着模具温度升高，抗冲击性显着提高。

图 1 当模具温度设置得相对较低时，模制样品的断裂能非常低。随着模具温度升高，抗冲击性显着提高。

但是，即使模具温度很高，在注塑成型过程中聚合物的冷却速度仍约为 150-300°C/min（270-540°F/min）。随着温度的如此快速变化，一定程度的内应力是不可避免的。在应用环境涉及高温、延长寿命、可能超过比例限制的应力以及暴露于某些化学品的某些组合的情况下，即使相对较低的内部应力水平也可能因 ESC 而导致过早失效。失效分析元研究表明ESC是塑料部件现场失效的主要原因，这种失效模式主要影响非晶聚合物。

在无定形聚合物中，进行退火以将内部应力降低到正常成型工艺条件下无法达到的水平。有几个参数对于实现所需的结果很重要。其中第一个是退火过程的温度。通常，推荐的退火温度与聚合物的玻璃化转变温度 (Tg) 挂钩。这可以通过分析技术轻松测量，例如差示扫描量热法 (DSC) 或动态力学分析 (DMA)。 DMA 具有测量聚合物物理特性的优势，因此它提供了有关可用于松弛零件内应力的温度范围的更多信息。

图 2 提供了典型 PC 的弹性模量与温度的函数关系图。 Tg 发生在聚合物弹性模量在 140-155 C (284-311 F) 的非常窄的温度范围内迅速下降的温度范围内。

图 2 玻璃化转变温度发生在聚合物的弹性模量在 140-155 C (284-311 F) 的非常窄的温度范围内迅速下降的温度范围内。

聚碳酸酯的适当退火温度建议在 121 C (250 F) 和 135 C (275 F) 之间变化。这些温度接近 Tg，但仍低于模量快速下降的起点，以防止部件变形。目标是使用尽可能接近该起始温度的温度，而不会产生零件变形或过度的尺寸变化。这在一定程度上取决于零件的几何形状以及可为最容易变形的区域（例如浇口周围的区域）提供的支撑水平。

第二个重要参数是退火时间。这将取决于零件厚度。塑料是相对较差的热导体，必须让部件始终达到均匀的温度。典型的建议是在零件达到所需温度后至少 30 分钟，再加上 5 分钟/毫米（0.040 英寸）的壁厚。对于截面厚度超过 6 毫米（0.250 英寸）的零件，通过将时间加倍可以获得最佳结果。未能提供足够的时间以在适当的时间内达到并保持均匀的温度实际上可能会增加内应力水平。

也许与退火相关的最重要的条件是温度变化率，尤其是在冷却过程中发生的变化率。理想情况下，零件应以不超过 50° C/hr（90° F/hr）的速率从室温加热到退火温度。但对结果影响最大的是退火过程的冷却部分。同样，具体建议各不相同。

但是，良好的指导原则是冷却速度不超过 25 C/hr (45 F/hr)，直到部件达到 60-65 C (140-149 F) 的温度。某些部件可能需要以低至 5° C/hr (9° F/hr) 的速度冷却。导致退火结果不令人满意的最常见错误是冷却太快。通常，一旦规定的退火时间完成，零件就会从烤箱中取出。零件从退火温度迅速冷却到室温，取消了退火过程中所做的所有工作。

对退火工艺效力的最终测试是溶剂应力裂纹评估。对于每种聚合物，都有一种化学物质或化学物质混合物，可以针对特定的内应力阈值。通常这种方法涉及两种物质的混合物。一种作为惰性成分，而另一种是促进应力开裂的活性成分。通过改变混合物中这两种成分的比例，可以调整目标阈值应力，从而可以精确测量零件中的应力。

例如，ABS使用醋酸乙酯（例如乙酸乙酯）和醇（例如乙醇）的混合物。引起应力开裂所需的醋酸盐浓度越高，零件的内应力越低。同样的方法也用于聚碳酸酯。然而，对于聚碳酸酯，混合物是正丙醇和甲苯中的一种。零件在混合物中浸泡规定的时间，取出并冲洗，然后评估是否开裂。任何观察到的裂纹的位置有助于识别容易形成高应力水平的部件区域。

另一种方法是使用单一试剂，产生应力开裂所需的浸泡时间与零件的内应力有关。例如，可以使用碳酸亚丙酯测试聚碳酸酯。零件中的内应力水平是零件浸入流体中时间的函数。无论采用哪种方法，有效的退火工艺都会显着降低测量的阈值应力。

半结晶聚合物的退火是出于完全不同的原因。在我们的下一部分中，我们将讨论该过程以及使此类聚合物获得最大退火效果的指南。

关于作者 Mike Sepe 是一位独立的全球材料和加工顾问，其公司 Michael P. Sepe, LLC 位于亚利桑那州塞多纳。他在塑料行业拥有 40 多年的经验，并协助客户进行材料选择、可制造性设计、加工优化、故障排除和故障分析。联系方式：(928) 203-0408 • [email protected].