材料第 1 部分：退火可以为您的工艺带来什么

早在塑料出现之前就有退火过程。金属行业，更具体地说是钢铁行业，很长时间以来都知道，将材料暴露于受控加热和冷却的后续过程会降低材料的硬度、增加延展性并减少内应力。材料的微观结构也发生了变化。铜和黄铜等其他金属材料也能受益。

退火可以减轻无定形材料的应力并提高半结晶树脂的结晶度。 （照片：Grieve Corp. 的退火炉）

塑料的退火不是大多数制造过程的一部分。有例外。实心棒材、厚壁管材和板材等厚度较大的产品通常要进行退火，作为机加工的准备步骤。这样做是为了稳定材料的结构并减少内应力，这与在金属材料中进行该过程的原因大致相同。在通过熔融加工制造的所有产品中，与这些工艺相关的相对较快的冷却速率会引入一定程度的内应力并偏离平衡状态。如果这会产生一定程度的内部应力，从而在使用中造成功能问题，则可以进行退火以将应力降低到加工过程中可能无法实现的水平。

退火的基本原理及其对材料的影响将在很大程度上取决于被退火的聚合物。在无定形聚合物中，目标是减少内应力。在控制良好的过程中生产的零件，适当注意冷却速度的重要性，可能包含低于 1000 psi 的内应力。但是快速冷却的零件可能会显示出高出两到三倍的内应力。内部压力越高，产品在不发生故障的情况下管理外部压力的能力就越低。此外，包含高水平内应力的部件的故障更可能是脆性的。

即使预计应用不会涉及更高水平的外部应力，高内部应力也会增加对环境应力开裂 (ESC) 的敏感性。如果无定形聚合物暴露于某些化学试剂，则它们特别可能表现出 ESC。这些化学试剂可能以溶剂、增塑剂、清洁剂、防锈剂和粘合剂的形式存在，并且无定形聚合物与这些流体的长期接触会导致 ESC 故障。在这些类型的环境中，退火可能是成败的关键。

在半结晶聚合物中，退火的目的根本不同。使用半结晶聚合物是因为它们的结晶度会产生机械和热属性。结晶度决定了诸如强度、模量、机械性能在玻璃化转变温度以上的保持率、耐化学性、抗疲劳和抗蠕变性以及摩擦学性能等特性。正如无定形聚合物的内应力通过较慢的冷却速度最小化一样，半结晶聚合物的结晶度最大化 通过减慢材料冷却的速度。

但即使在最好的情况下，与熔融加工相关的冷却速度也会导致零件具有大约 90% 的可实现结晶度。在大多数情况下，这已经足够了。但在那些不是这样的情况下，进行退火以提供额外的 10%。

晶体形成的机会发生在低于聚合物熔点和高于其玻璃化转变温度 (Tg) 的温度窗口中。因此，退火温度必须高于 Tg 才能获得所需的结果。通常在熔点和 Tg 之间的中点附近获得最佳结晶速率。例如，尼龙 66 的 Tg 为 60 C (140 F)，熔点为 260 C (500 F)，在 160 C (320 F) 左右退火最有效。

在交联材料中，进行退火过程的原因与控制半结晶热塑性塑料的原因类似。正如模塑工艺努力实现可能的最高结晶水平一样，它们通常也无法达到最佳交联水平。虽然这可以通过延长循环时间来实现，但从经济角度来看，这种方法通常不受欢迎，而且在成型后重新加热大量零件更有效。在热固性工业中，这通常称为后烘烤，它最常用于聚合物，例如酚醛树脂和聚酰亚胺。

然而，该行业的许多从业者也发现在不饱和聚酯、环氧树脂和有机硅上执行此操作的好处。为了使后烘烤过程有效地提高材料的交联密度，烘烤过程的温度必须超过成型部件中聚合物的Tg。正如我们将在后面的文章中看到的，有些热塑性塑料也需要进行后烘烤以达到最佳性能。

一些弹性体也受益于后烘烤或退火过程。与半结晶热塑性塑料和刚性交联聚合物一样，其目的不是降低内应力，而是一种提高机械和热性能的结构重排。该工艺可用于热塑性弹性体（如聚氨酯），并且还显示可改善交联体系（如硅橡胶）的性能。该工艺特别适用于在涉及长时间暴露在高温下的应用中提供最佳性能。

为了使这些过程达到预期的结果，退火或后烘烤温度和时间的特定条件是至关重要的。在其中一些情况下，同样重要的是加热过程结束后的冷却速度。未能管理此冷却过程通常是退火无法达到预期结果的原因。这是一个经常被忽视的参数。

在本系列的后续文章中，我们将讨论与无定形热塑性塑料、半结晶热塑性塑料、交联材料和弹性体相关的不同要求。我们还将讨论在不引入意外负面后果的情况下实现积极成果的过程的局限性。

关于作者： 迈克·塞佩 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]。