Inleiding
Spuitgieten is een van de snelste processen voor massaproductie. Met cyclustijden die soms in de orde van milliseconden liggen, kan in korte tijd een enorm aantal onderdelen geproduceerd worden. De cyclustijd is niet alleen belangrijk voor de winstgevendheid van de onderdelenproductie, maar ook om afbraak van het materiaal in de spuitgietmachine te voorkomen. Als de verblijftijd in de machine te lang is, begint het materiaal af te breken, wat niet alleen gevolgen heeft voor het optische uiterlijk, maar ook voor de mechanische eigenschappen. Bovendien kunnen lange stilstandtijden leiden tot de ontwikkeling van gassen in bepaalde polymeren die schadelijk kunnen zijn voor de operator of het milieu.
Eén zo'n materiaal is polyoxymethyleen (POM of polyacetaal), dat veel wordt gebruikt in de auto- en consumentenelektronica-industrie. De hoge stijfheid, hardheid en taaiheid in combinatie met de goede glij- en wrijvingseigenschappen maken het een geschikt materiaal voor veel technische toepassingen. Bovendien heeft het een goede chemische weerstand en elektrische isolatie-eigenschappen. Het is het materiaal voor mechanische tandwielen, glijdende en geleidende elementen, behuizingsonderdelen, schroeven, isolatoren en spoelen. Sommige kwaliteiten zijn goedgekeurd door de FDA (United States Food and Drug Administration) voor gebruik in melkpompen en filterbehuizingen.
Wanneer POM gedurende langere perioden bij verwerkingstemperaturen wordt bewaard, bijvoorbeeld tijdens een machinestilstand van 30 minuten, geeft het materiaal formaldehyde af. Daarom moet de temperatuur van de schroef worden aangepast aan de omgevingstemperatuur. Daarom moet de temperatuur van de schroef worden verlaagd zodra duidelijk wordt dat het enige tijd zal duren voordat een fout is opgelost. Het vrijkomen van formaldehyde en de tijdsafhankelijkheid daarvan kan bestudeerd worden met TGA-FT-IR analyse, waarmee de afbraak bestudeerd kan worden in de vorm van massaverlies en de daaropvolgende analyse van de geëvolueerde gassen.
Analyse van formaldehydesporen in POM met TGA-FT-IR
Voor dit onderzoek werden twee POM-materialen met gelijkaardig vloeigedrag (beide medium viscositeitspuitgietkwaliteiten) en fysische eigenschappen geselecteerd. Beide voldoen aan de RoHS-normen, maar alleen POM1 is goedgekeurd door de FDA; zie tabel 1.
Tabel 1: Bestudeerde materialen
Naam | Eigenschappen | MFI [g/10 min] ISO 1133 | Volgzaam RoHS | FDA goedgekeurd |
|---|---|---|---|---|
| POM1 | Hoge stijfheid, hardheid, taaiheid, goede chemische weerstand; spuitgieten rang | 9 | Ja | Ja |
| POM2 | Hoge stijfheid, hardheid, taaiheid, bestendig tegen alkaliën en organische chemicaliën; spuitgietkwaliteit | 10 | Ja | Nee |
De metingen werden uitgevoerd met een NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® met een monstermassa van ongeveer 70 mg verwarmd van 25 °C tot 210 °C met een snelle verwarmingssnelheid van 80 K/min in een stikstofatmosfeer. Vanwege de verwachte small monsterverliezen werd een hogere monstermassa gekozen voor een duidelijke karakterisering. De temperatuur werd vervolgens minstens 30 minuten constant gehouden om massaveranderingen in de materialen te observeren.
Figuur 1 toont de TGA-curven van de twee verschillende POM-kwaliteiten bij 210 °C als functie van de tijd. Op de linker Y-as is het massaverlies in % te zien. Er is te zien dat het massaverlies van POM2 iets hoger is dan dat van POM1.
Figuur 2 toont de gemeten FT-IR spectra van beide POM-kwaliteiten bij 4 min in vergelijking met de bibliotheekspectra van formaldehydegas (roze) en water (zwart). Het is te zien dat POM1 alleen water afgeeft, terwijl POM2 formaldehyde en water afgeeft tijdens dezelfde temperatuurbehandeling. Om de tijdafhankelijke sporen in figuur 1 te genereren, werden de gekleurde gebieden van figuur 2 genomen als integrale bereiken voor formaldehyde (3170 cm-1 - 2462 cm-1) en water (4168 cm-1 - 3353 cm-1).
Het begin van het vrijkomen van formaldehyde kan worden geschat op 2 min en 118°C.
Hoe correleert de meting in het laboratorium met de verwerking op ?
Beide POM-kwaliteiten worden verwerkt bij 210°C. De hier getoonde resultaten geven aan dat bij POM2 al na enkele minuten verblijftijd bij deze temperatuur formaldehyde vrijkomt. Daarom zou het belangrijk zijn om de temperatuur van het vat onmiddellijk te verlagen nadat een fout is opgetreden. Dit wordt enerzijds geadviseerd omdat het langer dan een paar minuten kan duren voordat een fout is opgelost en het anderzijds enkele minuten duurt voordat de smelt is afgekoeld tot een lagere temperatuur.
Verder is te zien dat, hoewel beide kwaliteiten RoHS-conform zijn, alleen de door de FDA goedgekeurde kwaliteit, POM1, geen meetbare hoeveelheden formaldehyde afgeeft.