Что такое отжиг пластмасс?

Отжиг — это процесс нагрева заготовки для снятия внутренних напряжений и улучшения ее свойств. Но применим ли он к пластмассам? Что представляет собой процесс отжига пластмасс?

Отжиг пластмасс включает в себя нагрев пластмассовой детали до половины температуры плавления полимера и поддержание этой температуры в течение некоторого времени перед охлаждением до комнатной температуры. Такая обработка снимает с детали внутренние напряжения и обеспечивает лучшую устойчивость к растрескиванию и более высокую стабильность размеров.

В этой статье мы подробно рассмотрим отжиг пластмасс: процесс, его виды, назначение и то, что необходимо учитывать при отжиге пластмасс.

Отжиг пластмассы — это процесс нагревания пластмассовых заготовок для изменения их внутренних свойств без нарушения структурной целостности.

В двух словах, отжиг пластмассы в первую очередь требует нагрева пластмассовой детали до определенной температуры между температурой стеклования (Tg) и температурой плавления (Tm).

Нагрев пластмассовой детали до температуры стеклования позволяет ее полимерной структуре снять внутренние напряжения, возникшие при ее изготовлении.

Деталь выдерживается при этой температуре в течение определенного времени, а затем ей дают остыть, чтобы завершить процесс отжига.

Но вопрос в том, как возникают внутренние напряжения и почему важно их снять?

Изготовление пластмассовых деталей обычно включает в себя нагрев пластмассы, после чего она впрыскивается в литьевую форму (литье под давлением) или выдавливается на поверхность (3D-печать).

Затем пластику дают остыть и затвердеть, принимая желаемую форму.

Охлаждение нагретой детали обычно происходит неравномерно и быстро из-за плохой теплопроводности пластика, что приводит к дезориентации его полимерной структуры.

Такая дезориентация внутренней структуры приводит к образованию внутренних напряжений и неравномерной усадке, что может повлиять на точность размеров детали.

Кроме того, локализованный нагрев, вызванный неправильными скоростями и подачами во время обработки пластмассовых деталей, также приводит к образованию внутренних напряжений в деталях.

Такие операции механической обработки, как сверление глубоких отверстий, нарезание винтовой резьбы и неравномерное уменьшение толщины, способствуют формированию внутренних напряжений в пластиковой детали.

Эти внутренние напряжения могут привести к короблению заготовки, нарушению точности размеров или даже к образованию трещин на поверхности пластиковой заготовки за счет повышения ее хрупкости.

Поэтому после обработки пластмассовую заготовку отжигают, чтобы снять внутреннее напряжение и избежать разрушения детали под нагрузкой.

Отжиг пластмасс обычно включает в себя три этапа: нагрев пластмассы, выдерживание ее при этой температуре и последующее охлаждение.

В результате время, необходимое для отжига пластмасс, зависит от типа пластмассы, размера пластиковой заготовки и внутренних напряжений, возникших в ней в результате предыдущих операций.

Как правило, отжиг пластмасс предполагает постепенный нагрев заготовки со скоростью 30-50℃ в час.

Отжиг пластиковых заготовок на воздухе требует около 4 часов для постепенного нагрева заготовки до температуры отжига.

После нагрева заготовки ее выдерживают при этой температуре с временем выдержки около 30 минут на 6,35 мм толщины, т.е. для заготовки толщиной 6,35 мм требуется 30 минут выдержки, а для заготовки толщиной 12,7 мм время выдержки удваивается до 1 часа.

Скорость охлаждения заготовки зависит от требуемых свойств заготовки.

Если требуется отличная пластичность, рекомендуется постепенно охлаждать заготовку со скоростью 5-20℃ в час, если же пластичность не является решающим фактором, можно закалить заготовку в воде для быстрого охлаждения.

Таким образом, отжиг заготовки из толстого пластика может занять почти целый день, чтобы выполнить процесс и получить заготовку без внутренних напряжений.

Однако некоторые пластмассы, такие как полиамид и АБС-пластик, требуют сравнительно более длительного времени выдержки, от 24 часов до нескольких дней, что увеличивает время, затрачиваемое на их отжиг.

Отжиг пластмассы заключается в нагревании пластмассовых деталей выше температуры их стеклования.

Как правило, горячий воздух используется в качестве среды для нагрева пластиковых заготовок без их деформации.

Пластиковые заготовки помещаются в закрытую камеру, например, в печь, и подвергаются воздействию горячего воздуха, который повышает температуру заготовки выше температуры стеклования.

Детали выдерживаются в печи при требуемой температуре в течение определенного времени, после чего печь выключается.

После этого источник тепла выключается, и деталям дают остыть со скоростью примерно 10ºC в час, пока они не достигнут комнатной температуры.

Таким образом, отжиг пластмассы состоит из трех основных этапов: нагрев детали, поддержание температуры и постепенное охлаждение.

Вы можете отжигать литьевые детали при температуре примерно на 10 - 20℃ выше, чем ожидаемая температура их использования.

Нагрев детали выше, чем на 20℃ от ожидаемой температуры использования, может привести к ряду нежелательных эффектов, таких как обесцвечивание или потемнение.

Как правило, рекомендуемое время выдержки для отжига литьевых деталей составляет 3 часа, но может варьироваться в зависимости от их толщины.

Отжиг литой детали не всегда необходим, так как он увеличивает стоимость без существенного влияния на свойства заготовки.

Например, литье под давлением с использованием предварительно нагретых форм снимает внутренние напряжения в заготовке и улучшает зернистую структуру, устраняя необходимость отжига изделия.

Однако это увеличивает стоимость процесса литья под давлением и подходит только для тех случаев, когда снятие внутренних напряжений требуется всегда.

Поэтому для стандартных деталей, полученных литьем под давлением (с использованием холодных пресс-форм), отжиг рассматривается как вторичный процесс, который выполняется только тогда, когда требуется высокая прочность и низкие внутренние напряжения.

Экструзия пластмассы обычно выполняется для получения стержней и пластин, которые обычно толще, чем детали, отлитые под давлением.

Как следствие, такие толстые стержни и пластины требуют более высокой температуры отжига и времени выдержки, чем детали, отлитые под давлением.

Причина этого заключается в том, что из-за большой толщины время, необходимое для того, чтобы тепло достигло центра детали, обычно велико.

Например, при отжиге экструдированного стержня из сополимера ацеталя диаметром более 100 мм температура отжига составляет около 145℃, а время выдержки может составлять почти 24 часа.

В случае 3D-печати, как только пластиковая нить выходит из сопла принтера, она подвергается быстрому охлаждению, и деталь сохраняет аморфную структуру полимерных цепей.

Поэтому для отжига 3D-печатных деталей требуется более высокая температура отжига, которая составляет примерно половину их температуры плавления.

После нагрева рекомендуется время выдержки от 2 до 24 часов в зависимости от толщины детали, затем следует постепенное охлаждение.

В зависимости от типа материала, его поперечного сечения, метода изготовления и масштаба производства процесс отжига варьируется от одного применения к другому.

Отжиг в масле — это тип отжига, при котором масло используется в качестве среды для нагрева пластиковой заготовки.

Это один из наиболее эффективных методов отжига пластмасс, но он требует более высоких эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание.

Отжиг в масле обычно предпочтительнее для отжига пластиков на основе нейлоновой смолы.

Некоторые из обычно используемых масел включают очищенный парафин, углеводородное масло или воски.

Для нагрева масла и подготовки ванны для отжига пластиковой заготовки требуется электрический нагреватель.

Различные типы пластмасс требуют разной скорости нагрева, однако время выдержки и скорость охлаждения обычно остаются одинаковыми.

Перед погружением детали масло обычно предварительно нагревают до 80°C, чтобы избежать прилипания к поверхности детали.

После этого температура оборудования повышается в зависимости от материала детали.

После отжига трихлорэтилен обычно используется для промывки детали для удаления масляных пятен.

Отжиг на воздухе является наиболее распространенным методом и обычно выполняется в печи с циркуляцией воздуха.

При этом типе отжига воздух, окружающий заготовку, действует как среда для ее нагрева.

Однако в тех случаях, когда требуется высокое качество поверхности, воздух заменяют газообразным азотом, чтобы избежать окисления заготовки.

Отжиг на воздухе более универсален по сравнению с методом отжига в масле, а оборудование просто в обслуживании.

Поэтому отжиг на воздухе чаще всего используется в домашних условиях.

Поточный отжиг обычно используется в экструзионных системах, предназначенных для серийного производства.

Он включает в себя специальную систему нагрева, которая интегрирована с системой экструзии таким образом, что экструдированная заготовка одновременно отжигается во время процесса.

Этот процесс обычно подходит для промышленных применений.

Инфракрасный отжиг использует инфракрасное излучение для нагрева заготовки и изменения ее зернистой структуры, тем самым отжигая ее.

ИК-отжиг является самым быстрым из всех методов, и типичный цикл отжига составляет от 60 секунд до 6 минут в зависимости от толщины детали.

Несмотря на свои преимущества, он не подходит для мелкосерийного применения из-за дороговизны оборудования и требований безопасности.

Метод кипящей воды для отжига пластмасс использует воду в качестве среды для нагрева заготовки.

В этом процессе заготовку помещают в кипящую воду примерно на 10 минут, чтобы деталь достигла нужной температуры и равномерно нагрелась.

Этот процесс лучше всего подходит для 3D-печатных деталей из PLA и обычно увеличивает жесткость детали.

В этом методе детали из PLA герметично упаковываются в пластиковый пакет и затем помещаются на водяную баню с температурой от 50 ℃ до 80 ℃.

Время выдержки может составлять от 2 до 48 часов, в зависимости от толщины детали.

Этот тип отжига обеспечивает лучшую термостойкость, но обычно неэффективен для улучшения механических свойств.

Температура отжига и время выдержки зависят от таких факторов, как толщина детали и среда отжига (воздух, вода, масло).

Для большей точности всегда рекомендуется определять температуру и время отжига, необходимые для вашей детали, на основе нескольких экспериментальных испытаний.

Более того, некоторые пластиковые материалы также требуют азотной атмосферы при отжиге, поскольку они подвержены окислению поверхности при высоких температурах.

Охлаждение детали должно быть постепенным, а оптимальная скорость охлаждения зависит от толщины детали.

Чтобы обеспечить постепенное охлаждение детали, лучше всего выключить печь после выдержки и оставить деталь внутри до остывания.

Постепенное охлаждение позволяет равномерно выровнять зерна, тем самым повышая прочность материала.

Среда отжига также играет важную роль и должна быть выбрана в зависимости от материала и толщины детали.

Например, жидкая среда обеспечивает более высокую скорость нагрева по сравнению с воздухом из-за более высокой скорости передачи энергии посредством проводимости.

Такой материал, как нейлон, склонен к окислению при длительном нагреве в воздушной среде, поэтому предпочтительнее использовать масляную или водную среду.

Пластиковые детали, изготовленные из таких материалов, как POM, PA и PBT, после застывания претерпевают значительные изменения в объеме, что приводит к неравномерной усадке и нестабильности размеров деталей.

Отжиг помогает рекристаллизовать полимерные цепи таких деталей для лучшей точности размеров и увеличивает срок их службы.

Обычно быстрые скорости охлаждения, используемые при изготовлении пластмасс, приводят к возникновению остаточных напряжений в деталях, что делает их уязвимыми к растрескиванию.

Отжиг может быть полезен для снятия таких напряжений для лучшего практического использования таких деталей.

Отжиг пластиковых деталей увеличивает их плотность и прочность на растяжение, что делает их пригодными для использования в условиях высоких нагрузок.

Отожженные детали обычно более жесткие и лучше сопротивляются напряжениям, которые могут привести к разрушению.

Рекристаллизация полимерных цепей детали после отжига повышает их термостойкость и износостойкость.

В результате отожженный пластик подходит для электрического экранирования при наружном применении.

Отжиг пластмассовой детали повышает ее способность выдерживать нагрузки, придает долговечность и улучшает термостойкость.

Для повышения прочности следует предпочесть низкотемпературный отжиг, в то время как высокотемпературный отжиг необходимо проводить, когда требуется более высокая термостойкость.

Кроме того, механическая обработка пластмассовой заготовки может привести к возникновению внутренних напряжений, которые могут вызвать растрескивание заготовки, поэтому важно отжигать заготовку и устранять риск растрескивания.

Однако отжиг пластмасс с металлическими вставками может привести к растрескиванию заготовки, поэтому его следует избегать.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎12 методов изготовления изделий из пластика и примеры их использования [Часть 1]»‎ и «‎Руководство по лазерной резке и гравировке пластика»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!