De invloed van temperatuur op thermoplasten

Kunststoffen worden zacht en slap tijdens verhitting. Maar hoe zit dat eigenlijk? In deze blog wil ik jullie graag meenemen in het gedrag van kunststoffen, wanneer deze aan hoge of lage temperaturen blootgesteld worden. Datasheets van producenten verschaffen waardes die getest zijn op kamertemperatuur. Maar zijn deze waardes betrouwbaar wanneer de bedrijfstemperatuur hoger of lager ligt dan de kamertemperatuur? Aan het einde van deze blog licht ik toe hoe je dergelijke datasheets leest. Maar laten we bij het begin beginnen, en dat is bij de ketenstructuur van een kunststof, en wat er gebeurt met de structuur als de temperatuur veranderd.

Structuur van kunststoffen

Laten we beginnen met onderscheid maken hoe kunststoffen gegroepeerd zijn. Kunststoffen kan je onderverdelen in: thermoplasten, thermoharders en elastomeren. Omdat 3D printen (of beter gezegd FDM printen) veelal gebaseerd is op thermoplasten, zal de focus op deze groep gelegd worden. 

Thermoplasten hebben als eigenschap dat ze slap worden bij verwarming en bros worden bij verkoeling. Gelukkig maar, anders konden we deze materiaalgroep niet gebruiken zoals we de dag van vandaag doen. Laten we met deze informatie eens in het printproces duiken. Het materiaal wordt aangevoerd in de spuitmond op een constante temperatuur waarbij het is omgezet in een fase waarbij het materiaal vloeibaar genoeg is om vrije vormen aan te nemen. Bij het verlaten van de spuitmond komt het warme materiaal in contact met een koudere omgeving, en zal gaan stollen en vaste vorm aannemen. Maar hoe komt dat dan eigenlijk?

 Kunststoffen zijn lange polymeerketens en afhankelijk hoe de polymeerketens geordend zijn, bepaald of een kunststof amorf, semi-kristallijn of kristallijn is. Bij een amorf liggen de polymeerketens kris kras door elkaar terwijl bij een semi-kristallijn of kristallijn de polymeerketens meer geordend liggen. Bij een ongeordende structuur kun je de polymeerketens vergelijken met spaghetti in een pan met water. Op kamertemperatuur is de spaghetti hard en bros. Voeg je geleidelijk warmte toe aan het water, dan zal de spaghetti zacht en meer flexibel gaan worden. Ditzelfde effect gebeurt ook bij ongeordende polymeerketens. Als er warmte wordt toegevoegd, dan kunnen de polymeerketens vrijer bewegen. Op een gegeven temperatuur gaat de kunststof over van een glasachtige naar een rubberachtige toestand. Het punt waar de overgang plaatsvind wordt ook wel de glastemperatuur genoemd. Het is niet zo dat op dit punt de toestand in één keer veranderd. Het gebeurt geleidelijk, en hoe dichter je bij dit punt komt, hoe meer de polymeerketens kunnen bewegen en flexibel worden. 

Kristallijne kunststoffen komen bijna niet voor, deze groep zal daarom buiten beschouwing gelaten worden. Semi-kristallijne kunststoffen komen daarentegen wel veel voor bij 3D print filamenten. Semi-kristallijne kunststoffen hebben de eigenschap dat een deel amorf is, en een deel kristallijn. Het amorfe gedeelte heeft een glastemperatuur, en het semi-kristallijne gedeelte een smelttemperatuur. In onderstaande figuur zien we hoe amorfe en semi-kristallijne kunststoffen zich gedragen wanneer de temperatuur verhoogd wordt en wat dit doet met de stijfheid. Er is te zien dat de semi-kristallijne kunststof eerst tot aan de glastemperatuur lichtelijk daalt in stijfheid, en dan zijn stijfheid behoudt totdat de smelttemperatuur is bereikt.  Zoals in de vorige alinea was te lezen, worden de polymeerketens bij een amorf geleidelijk meer flexibel wanneer de temperatuur stijgt. Dit betekent in zekere zin dat de stijfheid geleidelijk afneemt wanneer de temperatuur toeneemt. 

Glastemperatuur vs. HDT
Nu zal je waarschijnlijk denken: oke! Dus de glastemperatuur is de richtlijn om een kunststof op temperatuur te ontwerpen. Het antwoord is ja en nee. De test die hiervoor in het leven is geroepen is de Heat Deflection Temperature proef, of kortgezegd HDT. Bij de HDT proef wordt een proefstuk met volgens richtlijn gedefinieerde  afmetingen in een bak met olie geplaatst. Een constant gewicht wordt op het midden van het proefstuk geplaatst zodat er een driepuntsbuiging ontstaat. De olie wordt geleidelijk verwarmd totdat het proefstuk een doorbuiging van 0,25 mm heeft ondervonden. De temperatuur die bij deze doorbuiging hoort wordt de HDT genoemd van het materiaal. De Glastemperatuur wordt veelal gebruikt voor chemische toepassingen. Je kunt je waarschijnlijk voorstellen dat flexibele kunststoffen een lage glastemperatuur hebben. Kom je namelijk boven de glastemperatuur, dan worden de polymeerketens flexibel en verliest het onderdeel zijn stijfheid. 

Aan kunststoffen kunnen korte vezels toegevoegd worden, zodat de stijfheid van het onderdeel vergroot. Een voorbeeld van vezels zou bijvoorbeeld glasvezel kunnen zijn. De toegevoegde vezels hebben amper tot geen effect op de glastemperatuur, terwijl data uit de HDT proef laat zien dat toevoeging van vezels wel effect heeft op de stijfheid. In onderstaande tabel heb ik verschillende gegevens verzameld om dit verder te analyseren. 

Materiaal
Structuur
Glastemperatuur (°C)
HDT (°C)
PLA
Amorf
60-65
50
ABS
Amorf
100-110
95
Nylon
Semi-kristallijn
70-80
64
PEEK
Semi-kristallijn
145
160
Nylon + 30GF
Semi-kristallijn
70-80
124
PEEK + 30GF
Semi-kristallijn
145
300+

Zoals je kunt zien ligt bij de amorfe en semi-kristallijne kunststoffen de glastemperatuur en HDT vrij dicht op elkaar. Maar bij materialen waarbij er vezels zijn toegevoegd,  is de HDT hoger dan de glastemperatuur. Zie hoe de glastemperatuur van nylon zonder en met vezels gelijk is, terwijl de HDT behoorlijk verschilt. Hierbij is het bewijs gegeven dat door toevoeging van vezels de stijfheid vergroot, en dat de vezels geen effect hebben op de glastemperatuur. Daarentegen kan de glastemperatuur wel gebruikt worden om bij amorfe en semi-kristallijne kunststoffen de bedrijfstemperatuur te bepalen. 

Datasheets
Op datasheets van kunststoffen zal je veelal de termen glastemperatuur, HDT of iets wat hier op lijkt tegenkomen. Mechanische eigenschappen zoals treksterkte, elasticiteitsmodulus en buigsterkte zal je hier ook terugvinden. Deze data is alleen niet representatief voor wat er gebeurt op de glastemperatuur of HDT. De mechanische eigenschappen worden op kamertemperatuur getest (20 °). Zoals je inmiddels nu weet, zakt de stijfheid wanneer de temperatuur stijgt. Dus de mechanische eigenschappen die op kamertemperatuur getest zijn, zijn compleet verschillend op de glastemperatuur of HDT. HDT kan slechts gebruikt worden om materialen te vergelijken op stijfheid. Maar wil je precies weten wat de mechanische eigenschappen zijn op een bepaalde temperatuur, dan zal je dit moeten gaan testen. 
Mijn advies is om glastemperatuur of HDT niet klakkeloos over te nemen als bedrijfstemperatuur voor je onderdeel. Bepaal daarom eerst:

  • De omgevingstemperatuur.
  • De sterkte die het onderdeel in de omgevingstemperatuur dient te hebben.
  • Hoelang het onderdeel in de omgevingstemperatuur operationeel dient te zijn.
Met antwoord op deze drie vragen kom je al een heel eind op weg om een goede materiaalkeuze te maken. Met deze blog heb ik inzicht gegeven hoe thermoplastische materialen zich gedragen en hoe hiervan de materiaalkeuze van gemaakt kan worden wanneer ze blootgesteld worden aan hoge temperaturen. Mocht je nog vragen hebben, of ergens over willen sparren neem gerust contact met ons op.
Scroll naar top