Polymerní pojiva pro vstřikování práškových materiálů

Davit BLEYAN

Doctoral thesis

Binder Systems for Powder Injection Moulding

Abstract:

Powder injection moulding (PIM) is a net shape, multi-stage production technique for manufacturing complex geometry parts in high production volumes. PIM process involves four main production stages: mixing, injection moulding, debinding and sintering. For such multi-stage processing technique, the deliberate choice of component materials can significantly reduce the defect formations during consequent stages, as well as positively influence the energy efficiency, while reducing processing time. The aim of the thesis was to study the role of particular binder components and their interactions with mould channel walls, for development of a novel, environmentally friendly feedstocks. For novel binder systems polyethylene glycol was used as plasticiser which allowed using water for solvent debinding, instead of highly reactive chemicals (acetone, hexane, heptane). Different molecular weight PEGs served for balancing the initial weight loss during thermal debinding, ensuring gradual binder extraction. The use of carnauba wax as another binder component was motivated by the aim to lower the mixing temperatures, which is crucial for using advanced reactive fillers such as titanium. Further, it allowed replacing the synthetic backbone polymers by eco-friendly renewable natural components, increasing the environmental sustainability of this technology. The debinding characteristics of newly composed feedstocks were studied using thermogravimetric analysis. The results have shown that carnauba wax exhibited superior debinding properties compared to polyethylene and paraffin wax, with gradual thermal extraction up to late debinding stage. Further, alongside carnauba wax, another novel binder - acarawax was considered as a substitute for polyolefins. In order to study the feedstocks in detail, the adhesion between binder system components, as well as binders, powders and the mould materials was investigated. Contact angle analysis was performed, and using acid base model, surface energies were evaluated. Binders showed similar values with only exception of PEG and to some extent acrawax which exhibited much higher surface energies and polar component values. Among mould materials the heat-treated steel showed the highest value of surface energy, and noticeably higher polar component too. For the ceramic powders Al2O3 and ZrO2 the obtained values were rather similar. For studying the interactions and chemical mechanism occurring within binder system, the components were substituted with their low molecular analogues. The specific interactions of the substitutes were evaluated using combined FTIR and analogue calorimetry. The highest cross interaction values suggesting strong interactions were obtained for analogues of PEG and acrawax. This study provides an important understanding of the role of particular binder system components and their interactions, which will allow to precisely balancing the feedstock composition, positively influencing the energy efficiency and processing properties of a PIM cycle.

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.

Keywords

vstřikování práškových materiálů, pojivo, odstraňování pojiva, specifické interakce, adheze, termogravimetrická analýza, FTIR, kalorimetrie, kontaktní úhel

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 8. 2015

Accessible from:: 1. 8. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 18. 9. 2015
• Supervisor: prof. Ing. Berenika Hausnerová, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds