Feuchtigkeitsmanagement: Die Wissenschaft hinter der Feuchtigkeitsaufnahme in Nylon

Im Gegensatz zu den meisten anderen Polymeren ist Nylon extrem empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Es ist wichtig, das richtige Gleichgewicht zwischen zu viel und zu wenig zu finden, aber die Notwendigkeit wird oft übersehen - eine der Hauptursachen für Probleme bei der Nylonverarbeitung und Teilefehler.

Hydrolyse ist der chemische Abbau einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser. Bei nylonbasierten Compounds kann dies die Prozessbedingungen beeinträchtigen und zu einer schlechten Produktleistung führen. Das Verständnis der Grundlagen und Nuancen dieser chemischen Reaktion zwischen Nylon und Wasser trägt wesentlich dazu bei, das Risiko in Ihren nylonbasierten Anwendungen zu eliminieren.

Feuchtigkeitsaufnahme in Nylon

Nylon hat gute thermische und mechanische Eigenschaften, was zum Teil auf die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Polymerketten zurückzuführen ist. Das Wasserstoffatom auf einer Polymerkette bindet sich an das Sauerstoffatom einer anderen Polymerkette.

Feuchtigkeit oder Wasser, das vom Nylonpolymer absorbiert wird, möchte ebenfalls eine Wasserstoffbrückenbindung eingehen. Der Wasserstoff im Wasser bindet sich an den Sauerstoff in der Nylon-Polymerkette, während sich gleichzeitig der Sauerstoff im Wasser an den Wasserstoff in der Nylon-Polymerkette bindet. Dieses wasserstoffgebundene Wassermolekül wirkt wie ein Weichmacher, wodurch sich die Polymerketten viel leichter bewegen können.

Wenn Nylon zu nass geformt wird, sabbert, blinkt oder schäumt, da die gebundenen Wassermoleküle freigesetzt werden, wenn das Nylon geschmolzen wird, da alle Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen sind. Die von der Oberfläche aufgenommene Feuchtigkeit kann in der Regel durch 3-4 Stunden Trocknung entfernt werden. Wenn das Wasser tief in die Polymerketten aufgenommen wird, wird mehr Zeit benötigt; manchmal mehr als 24 Stunden, damit die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen und die Wassermoleküle an die Oberfläche diffundieren können.

Das obige Szenario beschreibt die Feuchtigkeitsaufnahme - nicht die Hydrolyse.

Feuchtigkeitsaufnahme vs. Hydrolyse

Wenn die vorhandene, zuvor absorbierte Feuchtigkeit nicht entfernt wird, kommt es schließlich zur Hydrolyse oder zum Abbau des Molekulargewichts des Nylonpolymers. Dies ist jedoch in der Regel nicht üblich, wenn Nylonpellets einfach Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Die Beschreibung der Effekte, die beim Formen von nassem Harz beobachtet werden, kann mit Hydrolyse verwechselt werden, ist aber oft wahrscheinlicher die tatsächliche Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Ketten - nicht der Zusammenbruch der Ketten. Der Abbau der Nylonpolymerketten aufgrund der Hydrolyse dauert viel länger oder erfordert eine viel aggressivere Reihe von Bedingungen.

Schauen wir uns ein praktisches Beispiel an:

Wenn eine Kiste mit Pellets zur Luft hin offen ist, nimmt sie Feuchtigkeit auf, bis sie das Gleichgewicht erreicht hat. Dies dauert über 1 Jahre bei etwa 23 °C bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Ein Gleichgewicht ist wahrscheinlich, wenn alle Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und den Nylonketten gesättigt sind, d.h. "es ist kein Platz mehr im Inn..." Beachten Sie, dass wir immer noch nicht über den Abbau der Amidbindung sprechen und das Molekulargewicht noch intakt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist nur die Feuchtigkeitsaufnahme passiert - eine Hydrolyse hat überhaupt nicht stattgefunden. Wenn diese Feuchtigkeitsaufnahme tatsächlich auftritt, kann dies anhand der Daten als verbesserte Schlagzähigkeit im Laufe der Zeit gesehen werden, da der Weichmacher es den Polymerketten ermöglicht, sich leichter zu bewegen und aneinander vorbeizugehen. Tatsächlich ist es nicht ungewöhnlich, dass die Schlagzähigkeit bis zu einem Jahr lang weiter zunimmt und dann stabil bleibt. Aber das ist für die Luftaufnahme - jetzt... Lassen Sie uns die Bedingungen aggressiver gestalten.

Legen wir die geformten Stangen in Wasser bei beispielsweise 120 °C unter Druck. In den ersten Stunden nimmt die Schlagzähigkeit zu, wie bei der Luftabsorption; Aber irgendwann beginnt die Schlagzähigkeit abzunehmen. Dies ist der Zeitpunkt, an dem die Hydrolyse stattfindet. Mit anderen Worten, das Molekulargewicht des Nylons wird jetzt reduziert, da das Wasser die Amidbindung aufbricht. Die Zug- und Biegeeigenschaften werden immer abnehmen - zunächst durch die Feuchtigkeitsaufnahme und den Plastifizierungseffekt, später aber als direkte Folge des hydrolytischen Abbaus und des Abbaus des Molekulargewichts. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, die den Kontakt mit Kühlflüssigkeiten erfordern, z. B. kann der hydrolytische Abbau in einem Experiment mit 50 % Ethylenglykol / 50 % Wasser bei 135 °C durch Messung des Molekulargewichts gesehen und verifiziert werden. Die Eigenschaften nehmen ab Beginn des Experiments ab und nach der üblichen Testzeit von 3000 Stunden können wir eine starke Abnahme des Molekulargewichts und eine signifikante Verringerung der Eigenschaften feststellen, was häufig zu Folgendem führt:

• Sprödigkeit
• Reduzierte Viskosität
• Ästhetische Probleme, insbesondere Spreizung
• Übermäßige Rückstandsbildung in Schimmelpilzen

Übermäßiges Trocknen ist nicht die Antwort

Da Feuchtigkeit eine Reihe von Problemen mit sich bringen kann, scheint die Logik zu diktieren, dass eine vollständige Trocknung von Nylonmaterial die Probleme ebenfalls beseitigen würde. Aber auch das ist nicht korrekt - es muss ein Gleichgewicht gefunden werden.

Ziel ist es, die richtige Menge an Feuchtigkeit für eine bestimmte Nylonformulierung aufrechtzuerhalten. Andernfalls tauschen Sie eine Reihe von Problemen gegen eine andere aus.

Wie oben erwähnt, erhöht der plastifizierende Effekt, den Feuchtigkeit in Nylon erzeugt, auch die Flexibilität und Schlagfestigkeit, beides wünschenswerte Eigenschaften des Materials. Eine übermäßige Trocknung von Nylon - d. h. das Verlassen des angegebenen Feuchtigkeitsbereichs für Trocknungszeiten und/oder -temperaturen - entfernt Wassermoleküle und deren Weichmacher und erhöht die Polymerviskosität. Nylon ist schwerer zu fließen, anfällig für das Abbrennen von Additiven und kann oxidieren, wodurch das natürliche Polymer vergilbt.

Die Vorteile und Vorsichtsmaßnahmen des Moisture Range Managements

Jedes Nylonmaterial hat einen einzigartigen empfohlenen Feuchtigkeitsbereich, der auf dem Datenblatt aufgeführt ist. Stellen Sie sich den Feuchtigkeitsbereich als ideales Verarbeitungsfenster vor, in dem das Nylonmaterial vom Trichter/Trockner zur Presse (Spritzgießmaschine) übertragen wird.

Die Vorteile des Formens von Nylon innerhalb des angegebenen Feuchtigkeitsbereichs sind vielfältig, darunter:

• Gleichbleibende Viskosität, verhindert Kurzschlüsse und Grate
• Geringere Ausschussraten
• Minimale bis keine Farbveränderung des Nylons
• Ideale Plastifizierung
• Optimale Teileästhetik
• Reduzierte Ansammlung von In-Mold-Rückständen

Der Nachteil bei der Arbeit innerhalb von Feuchtigkeitsbereichen besteht darin, auf Zusatzstoffe zu achten. Zum Beispiel hat ungefülltes Nylonmaterial einen Feuchtigkeitsbereich von 0,02 % bis 0,20 %. Das gleiche Material, das 30 % Glas oder mineralische Verstärkung enthält, hat einen Feuchtigkeitsbereich von 0,02 % bis 0,14 %. Warum? Die Additive sind nicht hygroskopisch, wodurch sich die Reichweite verringert.

Nylon ist ein äußerst vielseitiges Material, kann aber auch Komplikationen verursachen, wenn es um Feuchtigkeit geht. Ein erfahrener kundenspezifischer Compoundeur wie Teknor Apex kann Ihnen dabei helfen, die Vorteile von Nylon zu nutzen und gleichzeitig Hydrolyse und andere feuchtigkeitsbedingte Fallstricke zu vermeiden, und spezifische Lösungen anbieten, die Sie in Betracht ziehen sollten, wie z. B. Creamid® P Nylon 6 mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme. Klicken Sie unten, um mehr zu erfahren.