什么是尺寸稳定性?

尺寸稳定性是材料在整个生命周期内保持其适配性、形状和功能特性的衡量标准。

工程塑料会受到从零件加工到高强度操作环境等一系列极端条件的影响, 这些条件会对整个生命周期内材料和整体零件功能良好程度产生影响。最常受尺寸稳定性缺乏影响的材料性能是成品零件的尺寸,因为湿度过高或极端温度环境会导致材料膨胀或收缩。

即使零件不会暴露于特别严苛的操作环境,在按照精密误差加工零件时,考量材料的尺寸稳定性仍很重要,因为此加工过程会使材料承受大量机械应力。

为了保证零件整个使用寿命内的性能和安全操作,必须将塑料材料的尺寸稳定性作为材料选择和零件设计中必须考量的关键性能特性之一。三菱化学集团能提供丰富的工程聚合物产品组合,涵盖一系列尺寸稳定性需求。

工程注意事项 哪些环境因素会影响到尺寸稳定性?

吸水性更低

塑料通常可以吸水,不同的塑料吸水能力不同。吸水性会严重影响成品零件的尺寸。此外,吸水性还会削弱材料的其他性能,如电导率和机械强度。

无论是面对环境湿度,还是应对长期浸没、湿法或蒸汽清洗周期以及暴露在自然环境中等应用条件,必须考虑塑料零件在其生命周期中接触水分的时间以及水分的浓度和温度。

轻微热膨胀

由于其化学结构,塑料材料会在不同程度上热胀冷缩。这种材料尺寸的变化会导致配合和间隙问题,并且会随着时间的推移而削弱材料的机械性能。

在涉及极端温度和/或温度波动的工程应用中,塑料材料必须具有足够的热稳定性,以防止膨胀和收缩。

内应力小

塑料材料的种类及其制造方式会影响塑料型材的内应力。例如,与挤出成型相比,注塑成型通常会产生更大的内应力,这是因为塑料分子是从外向内冷却的。对于要求极低内应力的应用而言,模压成型可能是型材和零件的理想加工方法。

成品零件的内应力也可能在加工过程中增大。为了生产尺寸准确的零件,尤其是必须按严格误差加工的零件,必须使用正确的工具并遵守最佳实践。

尺寸稳定性在哪些条件下是首要考虑因素?

许多工程应用都必须考量所涉材料的尺寸稳定性。例如,密封组件要求材料尺寸稳定性,因为密封件尺寸变化可能会导致泄漏。对于一些需要定期用蒸汽、化学品或高温液体清洗的零件,在选择材料时也应考量尺寸稳定性。

除了零件的最终应用,材料的尺寸稳定性还会影响加工和可实现的最终误差。对于尺寸稳定性较差的聚合物,在加工过程中积聚的热量和底层型材中的内应力,可能会使持续加工具备严格误差精密尺寸的零件难以进行。精良的工艺和先进的加工技术,连同具备卓越尺寸稳定性的聚合物,就能够制造出具备小尺寸严格误差的复杂零件,如电气连接器和测试用插座

为什么选择尺寸稳定的塑料而不是金属?

虽然金属的尺寸稳定性通常高于塑料,但许多工程塑料也具有特别出众的尺寸稳定性,以及若干明显优势,使其在许多应用中比金属更受青睐。

我们的尺寸稳定型热塑性塑料与金属材料的性能相当,却有着金属材料所不具有的关键优势。这些优势包括:

  • 原材料成本更低
  • 成品零件重量更轻
  • 特有的电气性能
  • 耐化学腐蚀
  • 摩擦和配合表现更佳

对于要求更高尺寸稳定性的应用,可以用玻璃纤维或其他填料来增强热塑性塑料。与未加填料的聚合物相比,增强性聚合物品级通常具有更高的热尺寸稳定性,以及机械、化学和绝缘性能方面的其他提升。

应用亮点 了解我们的尺寸稳定型塑料在普通工程应用中的表现
密封组件

Fluorosint® 207 PTFE制成的高压微流控器密封件

挑战:微流控器是一种医疗设备,在这种设备中,药物液体经受4000 - 10000 psi的压力和高剪切力,以减小其粒度。每次使用后,机器都要在高压灭菌循环中进行至少20分钟的蒸汽消毒。在现有UHMW-PE密封中,该灭菌过程导致增压泵膨胀和收缩,装置泄漏和压力损失。

解决方案:选择我们的Fluorosint®207 PTFE材料来替代UHMW-PE部件,因为它具有极低的吸湿性、出色的尺寸稳定性和蒸汽不渗透性。

结果:Fluorosint®207 PTFE具有更好的抗蠕变和抗蒸汽性能,显著延长了微流控器密封的使用寿命。新部件能够承受反复的高压灭菌循环,其机械强度保持时间远长于传统的PTFE和PE材料。

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Application Spotlight - Microfluidizer Seal
活塞和阀门

液体填料机中采用Ertalyte® PET-P活塞和阀芯

挑战:液体填料机中的阀芯和活塞部件一直都用不锈钢制成。这类零件成本高,需要不断润滑,促使OEM寻找符合FDA标准的塑料材料来替代它们。聚合物需具备格外低的吸水性并承受与从酱料、食物到清洁剂各种液体的持续接触。此外,这些零件还需要按照严格的公差进行加工,以达到所需的性能。

解决方案:并非所有的聚合物都符合要求,UHMW-PE无法承受应用的压力,乙缩醛磨损太快,尼龙吸收太多水分。Ertalyte® PET-P因其出色的耐磨性、极低的吸水性以及低热膨胀而入选,使其成为该应用的理想选择。

结果:Ertalyte® PET-P棒材能实现成本节约和性能优势,同时不会牺牲填料系统的准确度。已加工的PET-P零件在活塞和阀门的直径上能保持+/- 0.0007-英寸的误差。厚壁截面、特严误差以及有限生产量使得加工成为零件的上佳制造方法。

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Application Spotlight Tab Pistons & Valves
对材料进行测试 测试和测量工程塑料的尺寸稳定性
我们对产品线中的每一种热塑性材料进行一系列标准化测试,为工程师提供评估候选材料所需的详细产品数据。以下测试对于测量我们材料的尺寸稳定性至关重要。
  • MCG Technical Graphs & Diagram_Stage2_JW_CLTE - 1

    线性热膨胀系数 (CLTE) 用于确定材料随温度而变化的膨胀率。

    对于每一种材料,三菱化学集团都会执行 ASTM E- 831 / ISO 11359 标准以计算三个不同温度范围下的热膨胀率:73°F 至 210°F(23°C 至 100°C)、73°F 至 300°F(23°C 至 150°C),以及 300°F(150°C)以上。

    每项试验都会将材料样品置于烤炉中。炉内温度会以指定受控的速率升高到测试温度范围以上,直至达到让材料失效的最高温度。会详细记录样品的尺寸变化。

  • 为了预测材料在指定温度范围内且机械压力不变情况下形变的速率,我们对我们的产品组合进行了蠕变性能测试。

    具体操作是进行动态机械分析 (DMA),以了解在经过一段时间不同程度的压缩应变后,塑料部件的尺寸会蠕变的程度。

    MCG Technical Graphs & Diagram_Stage2_JW_Creep Resistance Graph - 1

    DMA 测试中所涉及到的变量是温度、时间以及应力。下表展示了我们的一款材料在室温 (23°C) 下水的沸点 (100°C) 环境中 100,000 小时所观察到的蠕变行为。这段时间中,样品收到机械应力。如图表所示,随着时间的推移,在更高的极端温度下,比起在较低的温度下,材料在发生 1% 变形前所能承受的载荷要小得多。

  • MCG Technical Graphs & Diagram_Stage2_JW_Water Absorbtion

    吸水测试用于评估材料在接触湿气时吸收水分的速度,以及其尺寸、重量、机械性能和电气性能可能发生的改变。

    取决于可用的材料样品,我们会进行 ISO 62 和 ASTM D570 标准测试来计算材料的吸水行为。

    这些吸水测试方法包括在室温下将热塑性样品浸入水中 - 我们将室温作为每个产品的标准温度。浸泡 24 小时后,测量塑料增重百分比。此外,在无论时间过去多久塑料都不再吸水的完全饱和状态下,我们还会记录塑料的增重百分比。

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