Εισαγωγή
Η χύτευση με έγχυση είναι μία από τις ταχύτερες διαδικασίες για την κατασκευή μεγάλου όγκου. Με χρόνους κύκλου που μερικές φορές κυμαίνονται στα χιλιοστά του δευτερολέπτου, μπορεί να παραχθεί τεράστιος αριθμός εξαρτημάτων σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ο χρόνος κύκλου είναι σημαντικός όχι μόνο για την κερδοφορία της παραγωγής εξαρτημάτων, αλλά και για την αποφυγή της υποβάθμισης του υλικού στη μηχανή χύτευσης με έγχυση. Εάν ο χρόνος παραμονής στη μηχανή είναι πολύ μεγάλος, το υλικό αρχίζει να υποβαθμίζεται, γεγονός που έχει συνέπειες όχι μόνο στην οπτική εμφάνιση, αλλά και στις μηχανικές ιδιότητες. Επιπλέον, οι μεγάλοι χρόνοι διακοπής λειτουργίας μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη αερίων σε ορισμένα πολυμερή που μπορεί να είναι επιβλαβή για τον χειριστή ή το περιβάλλον.
Ένα τέτοιο υλικό είναι το πολυοξυμεθυλένιο (POM ή πολυακετάλη), το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία και στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Η υψηλή ακαμψία, σκληρότητα και ανθεκτικότητα σε συνδυασμό με τις εξαιρετικές ιδιότητες ολίσθησης και τριβής το καθιστούν κατάλληλο υλικό για πολλές τεχνικές εφαρμογές. Επιπλέον, διαθέτει καλή χημική αντοχή και ηλεκτρικές μονωτικές ιδιότητες. Είναι το υλικό για μηχανικά γρανάζια, στοιχεία ολίσθησης και καθοδήγησης, μέρη περιβλήματος, βίδες, μονωτήρες και μπομπίνες. Ορισμένες ποιότητες έχουν εγκριθεί από τον FDA (United States Food and Drug Administration) για χρήση σε αντλίες γάλακτος και περιβλήματα φίλτρων.
Όταν το POM διατηρείται σε θερμοκρασίες επεξεργασίας για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, π.χ. κατά τη διάρκεια διακοπής λειτουργίας του μηχανήματος για 30 λεπτά, το υλικό εκπέμπει φορμαλδεΰδη. Επομένως, η θερμοκρασία του κοχλία πρέπει να μειώνεται αμέσως μόλις γίνει αντιληπτό ότι ένα σφάλμα θα χρειαστεί κάποιο χρονικό διάστημα για να επιλυθεί. Η απελευθέρωση φορμαλδεΰδης και η χρονική της εξάρτηση μπορούν να μελετηθούν με τη χρήση της ανάλυσης TGA-FT-IR, η οποία επιτρέπει τη μελέτη της αποικοδόμησης με τη μορφή απώλειας μάζας και την επακόλουθη ανάλυση των αναπτυσσόμενων αερίων.
Ανάλυση ιχνών φορμαλδεΰδης σε POM με χρήση TGA-FT-IR
Για την παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν δύο υλικά POM με παρόμοια συμπεριφορά ροής (και τα δύο medium ιξώδες ποιότητας χύτευσης με έγχυση) και φυσικές ιδιότητες selected. Και τα δύο συμμορφώνονται με τα πρότυπα RoHS, αλλά μόνο το POM1 έχει έγκριση από τον FDA- βλέπε πίνακα 1.
Πίνακας 1: Υλικά που μελετήθηκαν
Όνομα | Ιδιότητες | MFI [g/10 min] ISO 1133 | Συμβατό με RoHS | Εγκεκριμένο από το FDA |
|---|---|---|---|---|
| POM1 | Υψηλή ακαμψία, σκληρότητα, ανθεκτικότητα, καλή χημική αντοχή, βαθμός χύτευσης με έγχυση | 9 | Ναι | Ναι |
| POM2 | Υψηλή ακαμψία, σκληρότητα, ανθεκτικότητα, αντοχή σε αλκάλια και οργανικά χημικές ουσίες, βαθμός χύτευσης με έγχυση | 10 | Ναι | Όχι |
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με ένα NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® με μάζα δείγματος περίπου 70 mg που θερμάνθηκε από τους 25°C στους 210°C με γρήγορο ρυθμό θέρμανσης 80 K/min σε ατμόσφαιρα αζώτου. Λόγω των αναμενόμενων small απωλειών του δείγματος, χρειάστηκε μεγαλύτερη μάζα δείγματος selectγια σαφή χαρακτηρισμό. Στη συνέχεια, η θερμοκρασία διατηρήθηκε σταθερή για τουλάχιστον 30 λεπτά για να παρατηρηθούν οι μεταβολές της μάζας των υλικών.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται οι καμπύλες TGA των δύο διαφορετικών τύπων POM στους 210°C σε συνάρτηση με το χρόνο. Στον αριστερό άξονα Y φαίνεται η απώλεια μάζας σε %. Φαίνεται ότι η απώλεια μάζας του POM2 είναι ελαφρώς υψηλότερη από ό,τι για το POM1.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται τα μετρούμενα φάσματα FT-IR και των δύο τύπων POM στα 4 λεπτά σε σύγκριση με τα φάσματα library του αερίου φορμαλδεΰδης (ροζ) και του νερού (μαύρο). Παρατηρείται ότι το POM1 απελευθερώνει μόνο νερό, ενώ το POM 2 παρουσιάζει την απελευθέρωση φορμαλδεΰδης και νερού κατά την ίδια θερμοκρασιακή επεξεργασία. Για τη δημιουργία των χρονοεξαρτώμενων ιχνών, που παρουσιάζονται στο σχήμα 1, οι χρωματισμένες περιοχές του σχήματος 2 ελήφθησαν ως ολοκληρωμένες περιοχές για τη φορμαλδεΰδη (3170 cm-1 - 2462 cm-1) και το νερό (4168 cm-1 - 3353 cm-1).
Η έναρξη της απελευθέρωσης φορμαλδεΰδης μπορεί να εκτιμηθεί στα 2 λεπτά και στους 118°C.
Πώς συσχετίζεται η εργαστηριακή μέτρηση με την επεξεργασία
Και οι δύο ποιότητες POM υποβάλλονται σε επεξεργασία στους 210°C. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ δείχνουν ότι μετά από λίγα μόνο λεπτά παραμονής σε αυτή τη θερμοκρασία, το POM2 απελευθερώνει φορμαλδεΰδη. Επομένως, θα ήταν σημαντικό να μειωθεί η θερμοκρασία του βαρελιού αμέσως μετά την εμφάνιση οποιουδήποτε σφάλματος. Αυτό συνιστάται αφενός επειδή η επίλυση οποιουδήποτε σφάλματος μπορεί να διαρκέσει περισσότερο από δύο λεπτά και αφετέρου επειδή χρειάζονται αρκετά λεπτά για να κρυώσει το τήγμα σε χαμηλότερη θερμοκρασία.
Επιπλέον, μπορεί να διαπιστωθεί ότι ενώ και οι δύο ποιότητες συμμορφώνονται με την RoHS, μόνο η εγκεκριμένη από τον FDA ποιότητα, POM1, δεν απελευθερώνει μετρήσιμες ποσότητες φορμαλδεΰδης.