Polyamiden zijn hygroscopisch en vochtopname beïnvloedt de eigenschappen van polyamide. Deze tool voorspelt de hoeveelheid vochtopname of -afgifte en de bijbehorende tijdschalen. De gebruiker kan kiezen uit twee typen berekening: een 'basis'-modus waarbij één enkele stapverandering in condities wordt berekend, of een geavanceerde modus waarin cyclische condities worden meegenomen.

'Stapverandering':

Het proefstuk wordt geëquilibreerd bij een initiële conditie (temperatuur T_0, relatieve vochtigheid RV_0) en wordt op tijdstip=0 blootgesteld aan een opgelegde conditie (temperatuur T_1, relatieve vochtigheid RV_1) gedurende een bepaalde tijdsduur. Het watergehalte als functie van de tijd wordt voorspeld, evenals de bijbehorende concentratieprofielen over de dikte van het proefstuk. Hiermee kunnen zowel vochtopname als uitdroging worden gesimuleerd.

'Cyclisch'

Opnieuw wordt het proefstuk geëquilibreerd bij een initiële conditie (temperatuur T_0, relatieve vochtigheid RV_0) en wordt op tijdstip=0 blootgesteld aan een reeks opgelegde condities, elk met een temperatuur en relatieve vochtigheid gedurende een bepaalde tijdsduur. De gecombineerde set condities kan worden herhaald (aantal cycli). Het watergehalte als functie van de tijd wordt voorspeld, evenals de bijbehorende concentratieprofielen over de dikte van het proefstuk. Hiermee kunnen zowel vochtopname als uitdroogeffecten worden gesimuleerd.

Gebruikersinvoer:

• Materiaalkeuze
• Plaatdikte (hoogte en diepte worden als oneindig beschouwd)
• Initiële temperatuur en relatieve vochtigheid van de plaat
• Opgelegde temperaturen, relatieve vochtigheden en tijdsintervallen waaraan de plaat wordt blootgesteld (conditie 1, 2 etc.)
• Aantal cycli (beperkt tot 50 om time-outs van de webinterface te voorkomen)

Tool-uitvoer:

• Een grafiek die de vochtpenetratie als functie van de exacte positie binnen de plaat toont voor drie cycli
• Een grafiek die de gemiddelde vochtconcentratie als functie van de tijd toont

Platen met diktes variërend tussen 1-10 mm (0,04-0,4 inch) zijn gevormd en vervolgens geëxtrudeerd bij verhoogde temperatuur (halverwege tussen de glasovergangstemperatuur Tg en de smelttemperatuur Tm, waar de kristallisatiesnelheid maximaal is). Deze warmtebehandeling is 16 uur uitgevoerd, wat wordt beschouwd als leidend tot een substantieel kristalliniteitgehalte (hoewel bekend is dat met extra warmtebehandeling hogere kristalliniteitniveaus bereikt kunnen worden). Een stikstofatmosfeer werd gebruikt om mogelijke oxidatie van de monsters te vermijden.

De parametrisatie van de diverse commerciële polyamidekwaliteiten is gebaseerd op uitgebreid onderzoek naar wateropname en -afgifte binnen het temperatuurbereik van 23 - 120°C (73-248°F). Het merendeel van de platen werd ondergedompeld in een waterbad, enkele werden in een conditioneerkamer geplaatst. Door de platen te wegen werd vastgesteld hoeveel vocht in de loop van de tijd werd opgenomen. Onder droge omstandigheden werd desorptie op dezelfde manier onderzocht.

Kristalliniteit

Halfkristallijne kunststoffen bestaan doorgaans uit zowel een amorfe fase, waarin de polymeerketens willekeurig gerangschikt zijn, als een kristallijne (geordende) fase. Alleen de amorfe fase kan vocht opnemen. Het kristalliniteitniveau is echterniet een vaste materiaaleigenschap, maar hangt af van de verwerkingscondities en veroudering. Na spuitgieten/blow-moulden en afkoelen (‘dry as molded’) heeft de kunststof zijn maximale kristalliniteit nog niet bereikt. Voor bepaalde toepassingen biedt een toestand onder dit maximum voordelen, in andere gevallen is de volledig kristallijne toestand gewenst. Dry-as-molded monsters kunnen meer vocht opnemen vergeleken met geëxtrudeerde (of verouderde) materialen. Gedurende de levensduur van een product neemt de kristalliniteit doorgaans toe (en daalt de vochtopname), maar om dit proces te versnellen kan ‘annealing’ (warmtebehandeling gedurende een korte periode) worden toegepast.

Omdat de kristalliniteit mede afhankelijk is van verwerkingscondities, omgevingscondities en ouderdom, is het onmogelijk om één waarde als absolute waarheid voor onze materialen te presenteren. In plaats daarvan voorziet onze tool in zowel een voorspelling voor het vochtgehalte in dry-as-molded monsters als een voorspelling voor geëxtrudeerde monsters (onder de gespecificeerde condities). Tenzij sprake is van extreme ‘annealing’, zal het vochtgehalte van een onderdeel waarschijnlijk tussen deze twee voorspellingen liggen.

Op datasheets worden normaal gesproken de ‘dry as molded’ waarden opgegeven. Voor PA6, PA66 en PPA kan het ‘annealed’ evenwichtsvochtgehalte 10-20% lager zijn; voor PA46 zelfs een factor 2 lager in vergelijking met dry-as-molded monsters.

De benodigde droogtijd kan worden geschat met de Moisture Diffusion tool, maar dient te gebeuren in twee opeenvolgende stappen; (1) het berekenen van de hoeveelheid opgenomen vocht na een half jaar onder de gespecificeerde condities en (2) terugdrogen vanuit deze condities bij verhoogde temperatuur. De tool kan enkele simple geometrieën verwerken; in dit geval benadert de ‘oneindige plaat’ het best het onderdeel van de klant.

De eerste stap is absorptie. Na het selecteren van ‘Akulon® K122’ uit de dropdownmenu, moeten de volgende invoerwaarden worden opgegeven:

• Monstergeometrie = Oneindige plaat (de tool kan enkele simple geometrieën behandelen; in dit geval komt de ‘oneindige plaat’ het meest overeen met het onderdeel van de klant)
• Plaat-/monsterdikte = 5 mm
• Initiële temperatuur = 20°C
• Initiële relatieve vochtigheid = 0% (direct na het spuitgieten bevat een onderdeel geen vocht – ‘dry-as-molded’ genoemd)
• Opgelegde temperatuur = 20°C
• Opgelegde relatieve vochtigheid = 50%
• Maximale diffusietijd = 4380 uur (een half jaar is 182,5 dagen x 24 uur)

De tool genereert twee grafieken die de rekenresultaten tonen; in dit voorbeeld zijn beide relevant:

• ‘Vochtontwikkeling’: De gemiddelde vochtconcentratie over de plaatdikte. Deze grafiek laat zien dat direct na het spuitgieten de gemiddelde vochtconcentratie nul is en dat deze met de tijd toeneemt. In het tijdsbestek van een half jaar is het evenwicht nog niet bereikt; de gemiddelde vochtconcentratie is 2wt%. In dit geval is het verschil tussen dry-as-molded samples en aangegloeide monsters zeer gering.
• ‘Vochtpenetratie’: Een gedetailleerdere grafiek van het vochtprofiel over de dikte van de plaat op drie tijdstippen. Hierin is te zien dat aan de buitenzijde van de plaat de vochtconcentratie maximaal is (3,5wt% bij de geselecteerde condities). Het vocht diffundeert van beide zijden naar het midden en bereikt daar een waarde van circa 1,3wt% in de kern.

De tweede stap is drogen. Het langdurig aanhouden van een dergelijke hoge temperatuur wordt in het algemeen niet aanbevolen, omdat degradatie kan optreden. Het is beter om te drogen bij circa 80°C, bij voorkeur onder stikstof.

Selecteer dezelfde grade uit de dropdown links en voer alle invoergegevens in. Of klik op het pictogram “Berekening bewerken” in de legenda van de vorige berekening; alle velden zijn vooringevuld en na wijzigingen selecteren we “Nieuwe berekening toevoegen” (Opmerking: “Berekening bijwerken” zou de voorgaande overschrijven). Een kleine vereenvoudiging is vereist: ervan uitgaan dat het vochtprofiel in de plaat aan het begin van het droogproces vlak is. Omdat we geen ‘vochtconcentratie’ kunnen invoeren, moeten we een kleine aanpassing doen.de invoer ‘initiële luchtvochtigheid’ zodanig dat we dezelfde vochtconcentratie verkrijgen als aan het eind van de absorptiestap (Opmerking: ook voor het aanpassen van een invoerwaarde is het het eenvoudigst om de knoppen “Berekening bewerken” en “Berekening bijwerken” te gebruiken). De invoerparameters zijn:

• Monstergeometrie = Oneindige plaat
• Plaat-/monsterdikte = 5 mm (0,2 in)
• Initiële temperatuur = 20°C (68°F)
• Initiële luchtvochtigheid = 31% (afgesteld om de 2wt% vochtconcentratie te benaderen)
• Opgelegde temperatuur = 110°C (230°F)
• Opgelegde luchtvochtigheid = 0%
• Maximale diffusietijd = 300 uur (begin met een schatting, deze kan later worden aangepast)

De grafiek die het vochtprofiel weergeeft, moet worden geraadpleegd om het tijdstip te bepalen waarop de concentratie in het midden (in de kern van de plaat) 0,1wt% heeft bereikt. Uiteraard heeft de buitenzijde van de plaat een lagere vochtconcentratie. We constateren dat de droogtijd om aan de eis te voldoen ongeveer 475 uur bedraagt. De grafiek van de Moisture Evolution laat zien dat wanneer de kern een vochtconcentratie van 0,1wt% bereikt, de gemiddelde vochtconcentratie 0,06wt% bedraagt. In de praktijk zal het vochtprofiel bij aanvang van het drogen niet vlak zijn, wat betekent dat de werkelijke droogtijd iets korter zal zijn.

Deze vraag kan worden beantwoord met een eenvoudige vochtopnameberekening, ervan uitgaande dat het onderdeel kan worden benaderd als een vlakke plaat. Begin met het selecteren van de gewenste grade uit de dropdown (of zoek de grade door de naam in te voeren) en vul de benodigde invoergegevens in:

• Monstergeometrie = Oneindige plaat
• Plaat/monsterdikte = 3,2 mm (0,13 in)
• Initiële temperatuur = 23°C (73°F)
• Initiële luchtvochtigheid = 0% (na het spuitgieten bevat een onderdeel geen vocht, dit wordt ‘droog-uit-matrijs’ genoemd)
• Opgelegde temperatuur = 23°C (73°F)
• Opgelegde luchtvochtigheid = 50%
• Maximale diffusietijd = 100 uur (begin met een korte tijd om de berekening te versnellen)

De grafiek voor vochtdynamiek laat zien dat 100 uur niet voldoende is om evenwicht te bereiken in dit onderdeel. Klik op het pictogram “Berekening bewerken” in de legenda om de maximale diffusietijd te verhogen naar 9000 uur en herbereken door op “Berekening bijwerken” te klikken.

• De grafiek toont twee lijnen: de volle lijn voor ‘droog-uit-matrijs’ monsters en de gestreepte ‘getemperd’-lijn voor monsters met een hogere kristalliniteit. Verhoging van de kristalliniteit kan worden bereikt door een warmte-/vochtbehandeling toe te passen (zie het tabblad Metingen voor meer informatie), maar dit gebeurt ook geleidelijk tijdens de veroudering van het onderdeel. Voor Stanyl® (PA46) is dit effect groter dan bij andere polyamiden. In de praktijk zal de toestand van een onderdeel waarschijnlijk tussen deze twee modelvoorspellingen vallen.
• Na 9000 uur is de lijn voor ‘droog-uit-matrijs’ in de grafiek voor vochtdynamiek vrijwel vlak, wat betekent dat het evenwicht is bereikt (voor getemperde monsters is dit al het geval na 4000 uur).
• In theorie kan de vochtconcentratie zich overal tussen deze twee lijnen bevinden. Doordat er echter geen extreme condities zijn toegepast, zal het onderdeel waarschijnlijk dicht bij de ‘droog-uit-matrijs’ lijn met 2,6 gew.% vocht liggen.

Om een grafiek toe te voegen voor de versnelde conditionering bij 70°C(158°F)/62%RV, kan dezelfde procedure worden gevolgd: selecteer dezelfde grade en vul de vereiste velden in, of begin vanuit de vorige berekening via de knop “Berekening bewerken” (alle invoervelden zijn nu vooringevuld) en klik op “Nieuwe berekening toevoegen”.

• Monstergeometrie = Oneindige plaat
• Plaat/monsterdikte = 3,2 mm (0,13 in)
• Initiële temperatuur = 23°C (73°F)
• Initiële luchtvochtigheid = 0% (na het spuitgieten bevat een onderdeel geen vocht, dit wordt ‘droog-uit-matrijs’ genoemd)
• Opgelegde temperatuur = 70°C (158°F)
• Opgelegde luchtvochtigheid = 62%
• Maximale diffusietijd = 9000 uur

De grafiek voor vochtdynamiek laat zien dat de evenwichtstoestand veel sneller wordt bereikt; na 2000 uur voor droog-uit-matrijs monsters. De uiteindelijke vochtconcentratie is in dit geval iets hoger, circa 3,0 gew.%. Omdat de conditioneringstemperatuur en -luchtvochtigheid hoger zijn vergeleken met de standaardconditioneringsmethode van 23°C(73°F)/50%RV.H, de kristalliniteit kan iets hoger zijn (waardoor het vochtgehalte iets afneemt). Hoewel het vochtgehalte niet noodzakelijk identiek is voor beide conditioneermethoden, zullen beide leiden tot vergelijkbare mechanische eigenschappen.

Een mogelijke oplossing voor het probleem is om de volgende situatie te definiëren en het gemiddelde evenwichtsvochtgehalte binnen het onderdeel te berekenen. De situatie beschrijft dat gedurende een dag (24 uur) de auto van 9:00 tot 10:00 uur rijdt en de rest van de dag geparkeerd staat. Tijdens het rijden wordt het polymeeronderdeel blootgesteld aan een temperatuur van 100˚C en 0% relatieve luchtvochtigheid (RH), en tijdens het parkeren aan een temperatuur van 23˚C en 100% RH. Deze dagelijkse condities worden cyclisch herhaald gedurende 50 dagen (1200 uur). Indien langere tijdsbestekken nodig zijn, neem dan contact op met onze experts voor een offline berekening (in verband met time-outlimieten van de webinterface).

In figuur 1a is het waterconcentratieprofiel weergegeven over de dikte van het onderdeel aan het einde van elke dag (cyclus) voor specifieke dagen. Na de eerste dag bevatten de beide buitenlagen van het polymeeronderdeel al vocht terwijl het binnenste gedeelte van het monster nog droog is. Naarmate het aantal dagen toeneemt, verandert de situatie in de buitenlagen nauwelijks. Voor het binnenste deel wordt echter waargenomen dat het vochtgehalte geleidelijk toeneemt gedurende het aantal cycli en na 50 dagen een vrijwel constante waarde heeft bereikt.

Dit totale watergehalte in het polymeerdeel wordt als functie van de tijd weergegeven in Figuur 2. Het dagelijkse ritme is zichtbaar, evenals het afvlakken van het watergehalte na ongeveer 100 dagen tot een eindwaarde in het bereik van 1,0-1,3 gew.%. Opmerking: deze eindwaarde komt niet overeen met een van de evenwichtswaarden die horen bij parkeer- of rijomstandigheden, maar ligt ergens tussen deze twee evenwichtswaarden in. Deze eindwaarde en de verdeling hiervan over de dikte zijn relevant, aangezien dit het mechanisch gedrag van het onderdeel zal beïnvloeden.