Polymerní pojiva pro vstřikování práškových materiálů

Abstract

Vstřikování práškových materiálů (PIM) je velkoobjemový, vícestupňový proces pro výrobu přesných kovových a keramických dílů komplexních tvarů. Proces PIM se skládá ze čtyř etap: míchání, vstřikování, odstraňování pojiva a slinování. U vícestupňové technologie je rozdílnými požadavky vyplývajícími z jednotlivých výrobních fází komplikován výběr vhodných materiálů. Cílem této práce je sestavit novou, ekologicky přijatelnější recepturu polymerního pojiva a přispět k porozumění úlohy jednotlivých pojivových složek v PIM směsi, jejich vzájemných interakcí, i interakcí s prášky a materiály používanými pro konstrukci vstřikovacích forem. Pro nové systémy pojiva byl použit jako plastifikátor polyetylénglykol (PEG), který je odstranitelný rozpouštěním ve vodě (narozdíl od běžně využívaných parafínických vosků chemicky odstranitelných v acetonu, hexanu či heptanu). Různé molekulové hmotnosti PEG byly testovány i z hlediska bilancování hmotnostních úbytků během tepelného odstraňování pojiva. Použití karnaubského vosku jako další pojivové složky bylo motivováno snahou snížit teplotu míchání PIM směsí, což má zásadní význam pro použití pokročilých reaktivních prášků jako jsou titanové slitiny. Dále je takto umožněno nahrazení tzv. páteřní (backbone) pojivové složky (termoplastické nebo termosetické) ekologicky přijatelnějšími substancemi, což zvýší ekologickou šetrnost této technologie. Charakteristiky odstraňování pojiva nových systémů byly studovány pomocí termogravimetrické analýzy. Výsledky potvrdily, že karnaubský vosk vykazuje pozvolnější odstraňování ve srovnání s nízkohustotním polyetylénem či parafínickým voskem. Adheze mezi jednotlivými komponenty pojiva, prášky (Al2O3 a ZrO2) a materiály používanými na výrobu vstřikovacích forem byla zkoumána prostřednictvím měření kontaktního úhlu. V této fázi výzkumu byla testována možnost využití další nové pojivové složky -acrawaxu (N, N'-Etylén Bis-stearamid). Byla provedena analýza povrchových energií s tím, že nejnižší byly vypočítány pro nitridované a TiN kalené povrchy, zatímco zušlechtěný povrch vykázal nejvyšší hodnoty povrchové energie i výrazně vyšší hodnoty jejího polárního komponentu. Pro keramické prášky byly hodnoty povrchové energie přibližně stejné. Pojiva se v hodnotách povrchových energií též příliš nelišila, jedinou výjimkou byl PEG, který vykázal výrazně vyšší hodnoty povrchové energie i hodnoty jejího polárního komponentu. Pro studium interakcí mezi jednotlivými pojivovými komponenty (PEG, karnaubský vosk a acrawax) bylo použito nízkomolekulárních analogů. Specifické interakce analogů byly vyhodnoceny pomocí FTIR a kalorimetrie. Interakce analogů PEG a acrawaxu byly přibližně dvakrát silnější, než je tomu u dvojice analogů PEG-karnaubský vosk. Tato studie představuje důležitý příspěvek k porozumění úlohy jednotlivých komponentů PIM pojiv, které umožní přesně vyvážit složení systému, a následně tak pozitivně ovlivnit zpracovatelské vlastnosti PIM procesu.