Temperatura topnienia plastiku: Dlaczego materiały topią się i miękną w różnych temperaturach

W praktyce element z tworzywa sztucznego może zmięknąć, odkształcić się lub stracić wytrzymałość przed osiągnięciem temperatury topnienia. Dzieje się tak, ponieważ temperatura topnienia, zeszklenia, temperatura mięknienia i temperatura przetwarzania opisują różne zachowania termiczne. Niniejszy przewodnik wyjaśnia te wartości i ich wpływ na dobór materiałów i formowanie wtryskowe.

Temperatura topnienia plastiku zależy od struktury materiału

Plastik nie ma jednej temperatury topnienia. Różne struktury polimerowe reagują na ciepło w różny sposób.

Półkrystaliczne materiały termoplastyczne, takie jak PP, PE, PA, POM i PEEK, zawierają uporządkowane obszary krystaliczne i zwykle mają mierzalną temperaturę topnienia, znaną jako Tm.

Tworzywa amorficzne, takie jak ABS, PC, PS i PMMA, nie mają jednej, ostrej temperatury topnienia. Zamiast tego stopniowo miękną, gdy ich struktura amorficzna osiąga temperaturę zeszklenia, czyli Tg. Tworzywa półkrystaliczne również mają Tg, ale ich Tm jest zazwyczaj bardziej istotna przy omawianiu topnienia.

Różnica między tworzywami termoutwardzalnymi a termoplastycznymi staje się szczególnie wyraźna po utwardzeniu: tworzywa termoutwardzalne nie topią się ponownie i z czasem ulegają degradacji pod wpływem nadmiernego ciepła.

Rodzaj materiału	Zachowanie podczas ogrzewania	Użyteczna wartość cieplna
Półkrystaliczny	Pokazuje wyraźniejszą przemianę topnienia	Tm, przy czym Tg również jest istotne
Amorficzny	Zmiękcza się w zakresie temperatur	Tg, Vicat lub HDT
Thermoset	Nie topi się ponownie po utwardzeniu	Limit serwisu lub degradacji

Wykres temperatury topnienia plastiku

Poniższa tabela temperatur topnienia tworzyw sztucznych przedstawia typowe dane odniesienia dla powszechnie stosowanych materiałów. Wartości te stanowią jedynie punkty wyjścia, ponieważ gatunki żywic, dodatki, wypełniacze, metody badań i receptury dostawców różnią się.

W przypadku tworzyw amorficznych tabela podaje Tg lub typowy punkt odniesienia dla mięknienia zamiast fizycznej temperatury topnienia. Temperaturę przetwarzania podano osobno.

Plastik	Structure	Wartość cieplna	Typowe °C	Typowa temperatura °F	Typowy zakres przetwarzania stopu
LDPE	Półkrystaliczny	Tm	105-115	221-239	160-220 ° C
HDPE	Półkrystaliczny	Tm	125-135	257-275	180-250 ° C
PP	Półkrystaliczny	Tm	155-165	311-329	200-260 ° C
Sztywne PCV	Amorficzny, wrażliwy na ciepło	Tg lub Vicat	Około 75–90	Około 167–194	Około 175–200°C
PS	Amorficzny	Tg	95-105	203-221	180-260 ° C
ABS	Amorficzny, wielofazowy	Główna wysoka temperatura Tg	Około 100–110	Około 212–230	220-260 ° C
POM-C	Kopolimer półkrystaliczny	Tm	O 165	O 329	Około 190–210°C
POM-H / Delrin	Półkrystaliczny homopolimer	Tm	Około 177–178	Około 351–352	Około 210–220°C
PA6	Półkrystaliczny	Tm	O 220	O 428	240-270 ° C
PA66	Półkrystaliczny	Tm	O 260	O 500	270-290 ° C
PC	Amorficzny	Tg	145-150	293-302	270-320 ° C
PMMA	Amorficzny	Tg	Około 100–120	Około 212–248	220-270 ° C
ZWIERZĘ DOMOWE	Półkrystaliczny	Tm	245-260	473-500	260-295 ° C
PBT	Półkrystaliczny	Tm	220-230	428-446	240-280 ° C
PLA	Zależne od gatunku, zwykle półkrystaliczne	Tm	150-180	302-356	Około 180–220°C
PTFE	Półkrystaliczny	Tm	O 327	O 621	Zwykle nie jest formowany wtryskowo
PPS	Półkrystaliczny	Tm	280-285	536-545	Około 315–343°C
PEEK	Półkrystaliczny	Tm	O 343	O 649	380-400 ° C

Wartości te wyjaśniają, dlaczego tabela może zawierać zarówno temperaturę topnienia, jak i wyższy zakres przetwarzania. Polimer musi zazwyczaj płynąć wystarczająco dobrze, aby wypełnić formę, więc zalecana temperatura topnienia może być wyższa niż jego fizyczna temperatura topnienia (Tm).

Zawsze należy potwierdzić wybrany gatunek żywicy, zapoznając się z kartą techniczną dostawcy żywicy. Wypełniacze, kopolimery, środki zmniejszające palność, plastyfikatory i inne zmiany w składzie mogą wpływać na proces przetwarzania i właściwości termiczne.

Co się dzieje w temperaturze 40°C, 100°C lub 150°C?

W temperaturze 40°C topnienie nie stanowi problemu dla większości tworzyw sztucznych – choć bardziej miękkie gatunki mogą ulegać pełzaniu lub deformacji pod wpływem obciążenia. W temperaturze 100°C sytuacja jest zmienna: niektóre tworzywa sztuczne dobrze się trzymają, podczas gdy inne zaczynają mięknąć, tracić sztywność lub odkształcać się. Część może stać się bezużyteczna na długo przed faktycznym stopieniem się materiału. W temperaturze 150°C wiele tworzyw sztucznych przeznaczonych do powszechnego użytku jest po prostu nie do zniesienia, dlatego w przypadku długotrwałego narażenia na działanie wysokiej temperatury konieczne może być rozważenie zastosowania tworzyw odpornych na wysoką temperaturę . Niektóre tworzywa konstrukcyjne nadal to wytrzymują, ale należy również uwzględnić czas narażenia, obciążenie, gatunek, wilgotność i wszelkie substancje chemiczne w kontakcie.

Temperatura topnienia nie jest temperaturą przetwarzania

Temperatura topnienia fizycznego opisuje przemianę termiczną w strukturze polimeru. Temperatura przetwarzania opisuje warunki niezbędne do przemieszczenia żywicy przez wtryskarkę.

Zamienne stosowanie tych dwóch terminów może skutkować wyborem nieodpowiednich materiałów lub nieprawidłowymi ustawieniami formowania.

Temperatura topnienia i formy

Temperatura topnienia to temperatura tworzywa wprowadzanego do formy. Musi być wystarczająco wysoka, aby zapewnić odpowiedni przepływ bez nadmiernej degradacji.

W przypadku sterowania temperaturą formy do formowania wtryskowego , temperatura powierzchni formy wpływa na chłodzenie, replikację powierzchni, krystalizację, kurczenie się, odkształcanie i czas cyklu, lecz nie jest to temperatura topnienia materiału.

Tg, HDT i temperatura pracy

Tg opisuje zeszklenie obszarów amorficznych w polimerze. Jest to szczególnie istotne w przypadku tworzyw amorficznych, chociaż tworzywa półkrystaliczne również mają Tg oprócz temperatury topnienia.

Metoda Vicata mierzy zmiękczenie w określonych warunkach testowych, natomiast metoda HDT mierzy odkształcenie pod określonym obciążeniem.

Temperatura pracy opisuje zachowanie się materiału podczas rzeczywistego użytkowania. Część może się pełzać, odkształcać lub tracić sztywność na długo przed stopieniem. W przypadku wymagających zastosowań należy porównać Tg, HDT, temperaturę pracy, obciążenie i ekspozycję na substancje chemiczne, zamiast polegać wyłącznie na Tm.

Co zmienia zachowanie się plastiku podczas topnienia?

Nazwa materiału na rysunku nie stanowi pełnej specyfikacji. Dwa gatunki z tej samej rodziny polimerów mogą różnić się właściwościami przepływu, krystalicznością, dodatkami i wydajnością cieplną.

Gatunek żywicy i krystaliczność

Homopolimery, kopolimery, masa cząsteczkowa, rozgałęzienia i historia chłodzenia mogą mieć wpływ na zachowanie się pod wpływem temperatury.

Materiały półkrystaliczne mogą również wykazywać różne zakresy temperatur topnienia w zależności od ich struktury chemicznej i stopnia krystaliczności. Dlatego PP, PE, PA, PET i POM nie powinny mieć jednej uniwersalnej temperatury topnienia.

Dane dotyczące konkretnego gatunku są bardziej wiarygodne niż ogólne wartości dotyczące rodziny materiałów.

Dodatki i stan materiału

Włókno szklane, wypełniacze mineralne, modyfikatory udarności, plastyfikatory, środki zmniejszające palność, stabilizatory, barwniki i materiały pochodzące z recyklingu mogą zmieniać sztywność, płynięcie, skurcz, krystalizację i odkształcenie pod wpływem ciepła.

Wilgoć również wpływa na proces. Materiały higroskopijne, takie jak PA, PC, PET, PBT i PLA, zazwyczaj wymagają odpowiedniego suszenia. Nieprawidłowe przygotowanie materiału może powodować wady, nawet gdy temperatura w maszynie wydaje się odpowiednia.

Dlaczego temperatura topnienia plastiku ma znaczenie w formowaniu wtryskowym

Zrozumienie zachowania się temperatury pomaga inżynierom ustalić odpowiednie okno przetwarzania, jednak temperatury nie można rozpatrywać w oderwaniu od projektu części, narzędzi i warunków formowania.

Przepływ materiału i wypełnianie formy

Temperatura topnienia ma wpływ na lepkość i zdolność żywicy do wypełniania kanałów wlewowych, wlewów, cienkich ścianek i szczegółowych elementów.

Zbyt niska temperatura może spowodować wzrost ciśnienia napełniania, a co za tym idzie, ryzyko niedotrysków, smug lub słabych linii łączenia. Należy również uwzględnić konstrukcję wlewu, odpowietrzanie, prędkość wtrysku, ciśnienie i grubość ścianki.

Degradacja i wygląd materiału

Nadmierna temperatura lub zbyt długi czas przebywania może powodować zmianę koloru, powstawanie czarnych plamek, gaz, nieprzyjemny zapach, wady powierzchni lub utratę właściwości materiału.

Materiały wrażliwe na ciepło wymagają ściślejszej kontroli przetwarzania; w szczególności formowanie wtryskowe PVC może mieć stosunkowo wąskie okno przetwarzania, podczas gdy POM również może ulec degradacji w przypadku przegrzania.

Chłodzenie i kontrola wymiarów

Temperatura formy i szybkość chłodzenia mają wpływ na skurcz, odkształcenia formowanych wtryskowo części , stabilność wymiarową i czas cyklu.

Efekt ten jest szczególnie istotny w przypadku tworzyw półkrystalicznych, ponieważ ich struktura krystaliczna rozwija się wraz ze schładzaniem materiału. Nierównomierne schładzanie może zatem prowadzić do nierównomiernego skurczu w całym elemencie.

Wymagania dotyczące sprzętu i form

Polimery wysokotemperaturowe mogą wymagać wydajniejszych grzałek, odpowiednich elementów ślimaka i cylindra, kontrolowanych kanałów gorących, izolacji i wyższych temperatur formy.

Wymagania te należy przeanalizować przed wyborem narzędzi i sprzętu do formowania. Temperatura jest tylko jedną z możliwych przyczyn problemów z formowaniem, ponieważ stan materiału, konstrukcja elementu, narzędzia i ustawienia procesu są ze sobą powiązane.

Wybór plastiku do narażenia na ciepło

Temperatura topnienia powszechnie stosowanych tworzyw sztucznych jest przydatna przy wstępnej selekcji materiałów, nie powinna jednak być jedynym kryterium wyboru.

Potwierdź następujące warunki:

1. Temperatura pracy ciągłej
2. Krótkoterminowe szczyty temperatury
3. Obciążenie mechaniczne w podwyższonej temperaturze
4. Kontakt z parą, olejem, wodą lub chemikaliami
5. Wymagania dotyczące stabilności wymiarowej
6. Palność i wymagania elektryczne
7. Warunki formowania i suszenia
8. Koszt i dostępność materiałów

Wysoka temperatura topnienia nie oznacza automatycznie lepszej wydajności w każdym gorącym środowisku. Pełzanie, absorpcja wilgoci, odporność chemiczna, uderzenia, grubość ścianek i naprężenia montażowe mogą mieć większe znaczenie.

Ustrukturyzowany proces doboru materiałów do formowania wtryskowego może rozpocząć się od rodziny polimerów, a następnie można porównać rzeczywiste gatunki komercyjne z danymi dostawcy i przewidywanymi warunkami eksploatacji.

FAQ

Czy plastik stopi się w temperaturze 100°C?

Nie wszystkie tworzywa sztuczne tak się zachowują – niektóre miękną, pełzają lub odkształcają się w tej temperaturze, podczas gdy inne trzymają się dobrze. Ponadto, element może ulec uszkodzeniu, tracąc sztywność lub stabilność wymiarową na długo przed faktycznym stopieniem. Dlatego poza temperaturą, należy również wziąć pod uwagę ugięcie pod wpływem ciepła, obciążenie mechaniczne oraz czas ekspozycji elementu na ciepło.

Czy temperatura topnienia jest taka sama jak temperatura formy?

Nie. Temperatura topnienia odnosi się do tworzywa wprowadzanego do formy. Temperatura formy odnosi się do powierzchni gniazda, która kształtuje i chłodzi element. W różny sposób wpływają one na przepływ, chłodzenie, krystalizację, jakość powierzchni, skurcz i czas cyklu.

Czy tworzywo termoutwardzalne można ponownie stopić?

Nie. Po całkowitym utwardzeniu tworzywa termoutwardzalnego jego usieciowanej struktury nie można stopić ani przekształcić jak tworzywa termoplastycznego. Dalsze ogrzewanie ostatecznie prowadzi do przypalenia, rozkładu lub degradacji chemicznej, a nie do przepływu użytecznego materiału.

Wniosek

Temperatura topnienia tworzywa sztucznego zależy od struktury, składu i gatunku polimeru. Tworzywa półkrystaliczne zazwyczaj mają mierzalną temperaturę topnienia (Tm), podczas gdy tworzywa amorficzne miękną w szerokim zakresie temperatur. Temperatury topnienia, temperatury formowania i temperatury użytkowania nie należy traktować jako tej samej wartości.

Wykres temperatur jest przydatny przy wstępnym porównaniu, jednak ostateczny wybór powinien zostać dokonany na podstawie danych technicznych dostawcy i rzeczywistego środowiska pracy.

W przypadku projektów, w których właściwości termiczne mają wpływ na decyzje dotyczące materiałów lub narzędzi, firma HingTung oferuje usługi formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, obejmujące przegląd materiałów, DFM, opracowywanie form, formowanie próbne, produkcję i kontrolę jakości.