Процесс пост-формования и его влияние на продукты трансфертного формования

Понимание химии полимеров после обработки формования

Чтобы понять, почему после формования отверждение является существенным, необходимо сначала понять химию полимера, участвующего в передаче формования. Большинство передающих формующих материалов являются термореактивными полимерами, такими как эпоксидные, фенольные, меламин, силикон и некоторые полиэфиры. Во время начального цикла формования тепло и давление инициируют сшивающую реакцию, которая превращает вязкую смолу в жесткую трехмерную сеть. Однако время внутри формы часто ограничивается экономическими и практическими ограничениями - обычно достаточно долго, чтобы часть затвердевала и выбрасывалась без искажений. В этот момент сшивание часто только 70-90% завершено, в зависимости от материала и времени пребывания формы. Остальные реактивные участки внутри полимера продолжают существовать как непрореагировавшие группы, захваченные в сети.

Послеформованное отверждение обеспечивает дополнительную тепловую энергию, необходимую для привода этих остаточных реакций к почти полному завершению. Результатом является более высокая плотность перекрестной линии связи, которая непосредственно приводит к улучшению свойств материала. Сшивание ограничивает молекулярное движение, повышая температуру стеклования (Tg), повышая прочность на растяжение и сжатие, повышая сопротивление ползучести и повышая химическую и растворяющую стойкость. Неадекватное сшивание оставляет полимер уязвимым для пластизации, отечности и механического отказа под напряжением. Вот почему послеформованное отверждение является не факультативной уточнением, а критическим шагом для определения качества для многих продуктов трансферного формования.

Методы пост-формования отверждения

Выбор метода отверждения зависит от системы материала, геометрии деталей, объема производства и требований к производительности. При этом все методы применяют контролируемое тепло, среда и механизм теплопередачи различаются. Ниже приведены наиболее распространенные подходы, используемые в промышленности.

Охлаждение печи (конвекция)

Наиболее широко используемый метод, отверждение духовки, опирается на принудительную циркуляцию горячего воздуха для равномерного нагрева деталей. Части размещаются на лотках или стойках внутри термоуправляемой печи, часто с программируемыми циклами накачки и замачивания. Этот метод подходит для пакетной обработки и может обрабатывать самые разные размеры деталей. Однако теплообмен может быть медленным, особенно для толстых или плотных деталей, приводя к более длительному циклу. Правильная конструкция воздушного потока имеет решающее значение для предотвращения горячих точек и обеспечения равномерного отверждения по всей нагрузке.

Steam Curing

Для некоторых резиновых соединений, особенно используемых в уплотнительных применениях, предпочтительно паровое отверждение. Части подвергаются воздействию насыщенного пара при повышенных температурах, часто в автоклаве. Пар обеспечивает отличную теплопередачу из-за его высокой удельной теплоемкости, а влага также может пластифицировать поверхность, снижая риск поверхностного растрескивания. Паровое отверждение особенно эффективно для достижения равномерной плотности сшивания в толстых секциях.

Микроволновое отверждение

Микроволновое отопление использует электромагнитное излучение для возбуждения полярных молекул внутри полимера, генерируя тепло объемно. Этот метод может значительно сократить время отверждения, поскольку тепло генерируется внутри детали, а не проводится с поверхности внутрь. Микроволновое отверждение особенно выгодно для сложных геометрий или тонкостенных деталей, но требует тщательного контроля мощности и частоты, чтобы избежать локализованного перегрева или неравномерного отверждения. Он также ограничен материалами, которые эффективно поглощают микроволновую энергию.

Инфракрасное (ИК) отверждение

Инфракрасные обогреватели иногда используются для постформовочного отверждения тонких или плоских деталей. ИК-излучение быстро нагревает поверхность, но глубина проникновения ограничена. Этот метод лучше всего применять для поверхностных пост-лечебниц или для деталей с высоким соотношением поверхности к объему. Для толстых деталей только ИК может не достигать полного сквозного отверждения, поэтому его часто комбинируют с конвекцией.

Горячая циркуляция воздуха с принудительной конвекцией

Высокоскоростные печи горячего воздуха (например, печи-препятствия) сочетают в себе преимущества конвекции с повышенными скоростями теплопередачи. Принудительная циркуляция воздуха снимает пограничный слой более холодного воздуха вокруг детали, ускоряя теплопередачу. Этот метод падает между обычным отверждением печи и микроволновым отверждением с точки зрения скорости и однородности.

Подробные факторы, влияющие на качество лечения

Успешное послеформовочное отверждение — это не просто вопрос размещения деталей в духовке и установки таймера.Многие взаимодействующие переменные определяют, соответствует ли конечный продукт его эксплуатационным характеристикам.

Контроль температуры

Температура является самой мощной переменной в постформовочном отверждении. Как предсказывает уравнение Аррениуса, скорость реакции экспоненциально увеличивается с температурой. Однако каждый материал имеет безопасное температурное окно — обычно между температурой его стеклования (Tg) и температурой его деградации. Превышение порога деградации может вызвать разрыв цепи, окисление, изменение цвета и хрупкость. Для эффективного отверждения вся часть должна достигать целевой температуры равномерно. Большие тепловые градиенты могут привести к неравномерному сшиванию, внутренним напряжениям и искажению размеров. Программируемые регуляторы температуры с несколькими термопарами внутри духовки или на самих частях необходимы для обеспечения качества.

Время вылечить и скорость рампинга

Общее время при целевой температуре должно быть достаточным для достижения желаемой степени сшивания. Это часто определяется тестами дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), которые измеряют остаточное экзотермическое тепло реакции. Часть считается полностью отвержденной, когда при повторном нагревании не обнаруживается никакой другой экзотермы. Быстрые скорости скачков могут привести к тому, что поверхность будет отверждаться быстрее, чем внутренняя часть, что приведет к обшивке и захвату непрореагировавшего материала ядра. И наоборот, медленное скатывание увеличивает время цикла и может быть экономически нежизнеспособным. Оптимальные профили часто включают поэтапную рампу: умеренная скорость до температуры предварительного геляции, удерживание для обеспечения тепловой однородности, затем окончательный рамп до температуры отверждения.

Применение давления

В то время как после формования отверждение обычно выполняется при давлении окружающей среды, некоторые применения получают выгоду от применения внешнего давления во время цикла после выздоровления. Давление помогает подавить образование пустот, вызванных летучим газированием (обычно в некоторых резиновых соединениях), улучшает теплообмен, обеспечивая лучший контакт между частью и нагревательной средой, и может уменьшить деформацию, ограничивая часть во время окончательного сшивания. Отверждение давления часто выполняется в нагретом прессе или автоклаве. Однако чрезмерное давление может вызвать деформацию, если материал еще не достиг достаточной зеленой прочности.

Состав материала

Различные термореактивные составы по-разному реагируют на послеформовочное отверждение. Эпоксидные системы с различными затвердевателями (например, алифатические против ароматических аминов) имеют различные требования к кинетике и температуре отверждения. Наполнители, такие как кремнезем, углеродное черное или стеклянные волокна, могут изменять теплопроводность и теплоемкость, влияя на то, как быстро нагревается деталь. Антиоксиданты, стабилизаторы и агенты высвобождения плесени также могут влиять на поверхностное отверждение или вызывать загрязнение, которое влияет на сшивку. Важно получить рекомендуемый график после лечения от поставщика материала и проверить его с помощью внутреннего тестирования для каждой конкретной партии и геометрии деталей.

Часть геометрии и толщины

Толстые секции представляют собой проблему для постформовочного отверждения, поскольку тепло должно проводить через толщину. Тепловая диффузивность материала диктует, как быстро внутренняя часть достигает целевой температуры. Для очень толстых частей несколько стадий нагрева или использование микроволнового или парового отверждения может помочь обеспечить сквозное лечение. Части с острыми углами, тонкими стенками или ребрами могут нагреваться неравномерно и развивать остаточные напряжения. Анализ конечных элементов (FEA) может использоваться для моделирования теплопередачи и оптимизации профиля отверждения для сложных геометрий.

Подробные эффекты пост-формования лечения на свойства

Правильное послеформованное отверждение превращает отформованную часть из зеленого, не полностью отвержденного состояния в прочный, размерно-стабильный компонент. Следующие улучшения свойств напрямую связаны с увеличением плотности сшивания и завершением химических реакций.

Механическая сила и модуль

Сшивание связывает отдельные полимерные цепи вместе, образуя сеть, которая сопротивляется деформации. По мере увеличения плотности сшивания прочность на растяжение, гибкий модуль и твердость увеличиваются до оптимальной точки. Кроме того, чрезмерное сшивание может привести к хрупкости. Для многих композитов с эпоксидной формой передачи цикл после выздоровления может увеличить прочность на растяжение на 15-40%, а модуль Янга на 10-25% по сравнению с формованным состоянием.

Удлинение и жесткость

Неполное сшивание часто приводит к материалу, который является резиновым и подвержен ползучести. После отверждения повышает температуру перехода стекла, перемещая материал из кожистого в стеклообразное состояние при температуре использования. Это уменьшает удлинение при разрыве, но улучшает прочность (энергию для разрыва), если плотность сшивания оптимизирована. Для резиновых деталей после отверждения обычно уменьшает постоянный набор и повышает устойчивость.

Размерная стабильность и усадка

Во время первоначального формования быстрое охлаждение от температуры плесени до комнатной температуры вызывает внутренние напряжения. Отверждение после формования позволяет этим напряжениям расслабляться, поскольку полимерная сеть принимает свою равновесную конфигурацию. Кроме того, завершение сшивания может вызвать небольшую дополнительную усадку (0,1-0,5% линейно), что должно учитываться в конструкции формы. Правильно отвержденные детали демонстрируют стабильность передних размеров с течением времени, сопротивляясь деформации и искажению даже при воздействии изменений температуры или влажности.