Kādu lomu spēlē PFA apvalka virsmas raupjums, lai izvairītos no līmes piesārņošanas no polimēru kausēšanas?

Atkārtota darbības problēma, karsējot augstas viskozitātes polimēru kausējumus, piemēram, karstās kausēšanas līmes, polietilēnu, polipropilēnu vai inženiertehniskos termoplastus, ir līmes uzkrāšanās uz sildītāja virsmas. Izkausētiem polimēriem ir tendence diezgan viegli pielipt pie cietām virsmām, īpaši, ja vietējā temperatūra ir krietni virs polimēra kušanas temperatūras. Neliels slānis pielīp un karbonizējas, izolējot un vēl vairāk paaugstinot lokālo apvalka temperatūru, kas paātrina turpmāku piesārņojumu pastiprināšanās ciklā. PFA raksturīgās nepiedegošās īpašības nodrošina pamata atbrīvošanas līmeni, tomēr ne visas PFA virsmas ir vienādas. Saskares laukuma lielumu starp izkausētu polimēru un fluorpolimēra apvalku nosaka virsmas raupjuma parametrs (Ra, virsmas augstuma vidējā novirze no vidējās līnijas). Gludākas virsmas samazina mehānisko bloķēšanu, bet var atstāt stāvoša polimēra robežkārtu blakus sienai neskartu. Mikroskopiskā mērogā raupjām virsmām reālais kontakts ir mazāks, tomēr veidojas plaisas, kurās var uzkrāties bojātais polimērs. Lai izvēlētos piemērotāko raupjumu, ir jāzina atsevišķa polimēra kausējuma reoloģiskā darbība un bīdes apstākļi saskarē ar sildītāju.

Līmes piesārņojuma mehānisms uz fluorpolimēru virsmām
PFA apvalka līmes piesārņošanas process ir trīs{0}}pakāpju process, kas ietver mitrināšanu, aizturi un karbonizāciju. Mitrināšanas posmā izkausēts polimērs saskaras ar PFA virsmu un izplatās saskaņā ar Young-Dupre vienādojumu, kas savieno kontakta leņķi ar cietas un šķidruma virsmas enerģijām. Zemā PFA virsmas enerģija (18-20 mN/m) rada lielus saskares leņķus (parasti 100–120 grādi kausētai termoplastiskai plastmasai) un līdz ar to zemu virzošo spēku izkliedēšanai. Reālās virsmas tomēr nav gluži plakanas. PFA apvalks sastāv no mikroskopiskām virsotnēm un ielejām, kas veido saliktu saskarni, un polimērs saskaras tikai ar augstākajiem punktiem. Uz zemas enerģijas virsmas raupjums vēl vairāk palielina efektīvo saskares leņķi, jo ielejās tiek ieslodzīts gaiss vai tvaiki; to paredz Cassie-Baxter modelis. Šī ietekme nozīmē, ka uz raupjākām PFA virsmām ir jānovēro ievērojami samazināta polimēra adhēzija. Šo tendenci apstiprina eksperimentālie dati par daudziem polimēru kausējumiem: PFA virsmai ar Ra=1.5 µm ir statiskie kontakta leņķi par 15–25 grādiem augstāki nekā citādi līdzīgai virsmai ar Ra=0.1 µm . Mazāks kontakta laukums nodrošina mazāku mitrināšanu sākumā, atvieglojot pielipušo pilienu noņemšanu ar šķidruma kustību vai vibrāciju, pirms tie saplūst nepārtrauktā plēvē.

Saglabāšanas posms ir cits jautājums. Ja polimēra viskozitāte darba temperatūrā ir pietiekami zema, kapilārie spēki var ievilkt izkausēto materiālu ielejās, kad polimērs samitrina augstākās virsotnes. Polimēru kausējumu gadījumā ar sliktu viskozitāti (kausēšanas plūsmas indekss > 20 g/10 min) ielejas kalpo kā rezervuāri, kur polimērs tiek iesprostots un pakāpeniski noārdās, pateicoties ilgstošam uzturēšanās laikam paaugstinātā temperatūrā. Augstas viskozitātes kausējuma gadījumā (MFI < 5 g/10 min) polimērs nevar viegli ieplūst sub-mikrometru ielejās, un tādējādi paaugstināts raupjums joprojām ir izdevīgs. Kritiskā pāreja notiek pie aptuveni 500–1000 Pa·s viskozitātes. Rupjākas virsmas rada zemāku adhēziju virs šī sliekšņa, un zem tā priekšroka tiek dota gludākām virsmām, jo ​​ielejas kļūst par piesārņojuma sākuma vietām.

Karbonizācija un nepatīkamais cikls, kas paātrina sevi
Trešais posms nosaka praktisko kalpošanas laiku starp tīrīšanām. Ieslodzīto polimēru termiskā sadalīšanās virsmas tvertnēs vai piestiprinātos ielāpus uz plakanām virsmām. Pie PFA sildītāja temperatūras, kas raksturīga polimēru apstrādei (200-260 grādi uz apvalka virsmas), ogļūdeņražu polimēri sāk ķēdes šķelšanos un oksidēšanos. Noārdīšanās produkti rada oglekli saturošu ogļu ar lielāku virsmas enerģiju nekā tīrs PFA (~40-50 mN/m). Šis pārogļošanās slānis veicina turpmāku mitrināšanu un adhēziju, kā rezultātā tajā pašā vietā tiek piestiprināts vairāk polimēru. Ogles slāņa izolācijas funkcija paaugstina lokālo apvalka temperatūru par 10-30 grādiem, tādējādi paātrinot nolietošanos. Kad veidojas pārogle, PFA izdevīgā nepiedegošā īpašība tiek zaudēta, jo polimērs nesaskaras ar PFA, tas saskaras ar bojātu ogļu. Atkarībā no sākotnējās PFA virsmas raupjuma, tīrīšanas laikā var noņemt pirmo ogles slāni. Gludu PFA (Ra < 0,2 µm) virsmu var notīrīt, mehāniski noslaukot vai skalojot ar šķīdinātāju, lai novērstu lielāko daļu sadalīšanās produktu. Agresīvā tīrīšana nenoņem ogļu daļiņas no raupja PFA (Ra > 1,0 µm) iekārtām, kas darbojas kā kodolu veidošanās vietas ātrai uzpildīšanai pēc atkārtotas palaišanas. Karstās kausēšanas līmes aplikatoru lauka novērojumu dati liecina, ka optimālais ir diapazonā no 0,4 līdz 0,8 µm Ra sildītājiem, kas pārklāti ar PFA. Tas ir pietiekami raupjš, lai izvairītos no sākotnējās mitrināšanas ar augstas viskozitātes kausējumiem, bet pietiekami gluds, lai ļautu pilnībā notīrīt pārogļu atlikumus ar standarta šķīdinātājiem vai vieglu noberšanos.

Optimālā raupjuma diapazona kvantitatīva noteikšana dažādiem polimēru veidiem.
Kvantitatīvus norādījumus virsmas raupjuma specifikācijai sniedz kontrolēti piesārņojuma eksperimenti ar laboratorijas -mēroga PFA sildītāju, kas iegremdēts dažādos polimēru kausējumos. Piesārņošanās ātrums (pielipušā polimēra masa uz sildītāja virsmas laukuma vienību laika vienībā) poliolefīna kausējumiem (polietilēns, polipropilēns), kas apstrādāts 200–240 grādu temperatūrā, mainās raupjuma diapazonā no 0,1 līdz 2,0 µm ar koeficientu seši. Ra=0.6–0,9 µm nodrošina minimālo piesārņojuma līmeni. Gludāka virsma nodrošina labāku mitrināšanu, tādējādi tiek iegūts plāns, viendabīgs, lipīgs pārklājums, kas karbonizējas 4 līdz 6 stundu laikā. Rupjākas virsmas aiztur polimēru ielejās un tādējādi izolē ogles mezgliņus, kas 8–12 stundu laikā veidojas makroskopiskos nogulsnēs. Optimālais raupjums rada intermitējošu kontaktu, kur izkusušais polimērs saskaras tikai ar virsotņu virsotnēm ar gaisa telpām ielejās un virsotnes ir pietiekami atdalītas (attālums starp pīķiem Ra=0.8 µm ir 50–100 µm), lai novērstu kapilāru iesprošanos. Augstākā temperatūrā (260–300 grādi) apstrādāta inženiertehniskā termoplastika, piemēram, poliamīds vai polikarbonāts, termiski noārdās ātrāk, visi iesprostoti polimēri pārogļojas 1–2 stundu laikā. Šiem materiāliem priekšroka tiek dota gludākai virsmai (Ra=0.2–0,4 µm), jo tā samazina plaisas, kurās polimērs var palikt ilgu laiku. Augstāka apstrādes temperatūra arī nedaudz mīkstina PFA (lai gan tā kušanas temperatūra ir 305-315 grādi), kas ļauj polimēram vieglāk samitrināt pat zemas enerģijas virsmas. Īsāks pieļaujamais tīrīšanas periods nozīmē virsmas, kuras var pilnībā atjaunot ar nelielu piepūli.

PFA apvalki - Polimēru kausējuma kalpošanas raupjuma atlases diagramma
Tālāk esošajā tabulā ir piedāvāti PFA sildītāju apvalku virsmas raupjuma diapazoni, pamatojoties uz polimēru saimi, apstrādes temperatūru, kausējuma viskozitāti un paredzamo tīrīšanas procedūru. Visas vadlīnijas paredz nepārtrauktu iegremdēšanu polimēra kausējumā bez jebkādas mehāniskas tīrīšanas vai skrāpju pieskaršanās sildvirsmai.

Polimēru saime un apstrādes apstākļi Ieteicamais Ra diapazons (μm) Primārie līdzekļi, lai novērstu netīrumus Saderība ar tīrīšanu
Hot melt adhesives (EVA, polyolefin) 150–180 °C high viscosity (>5 000 Pa·s) 0,7–1,0 Augsts kontakta leņķis novērš sākotnējo mitrināšanu Ielejas ir piepildītas ar gaisu augstās viskozitātes dēļ. Šķīdinātāja uzsūkšanās noņem atlikumus; nav abrazīvu tīrīšanas līdzekļu
Polietilēns (LDPE, HDPE), 200-230 grādi, vidēja viskozitāte (500–2000 Pa·s) 0,5–0,8 Līdzsvarots samazināts mitrums bez dziļām iedobēm ogļu uzkrāšanai. Periodiska skalošana ar šķīdinātāju vai mīksta tīrīšana ar neaustu salveti
Polipropilēns, vidēja viskozitāte (400–1500 Pa·s) 0,4–0,7 Līdzīgs PE, bet nedaudz gludāks, lai novērstu augstas temperatūras pārslodzi. Sārmainas tīrīšanas ķimikālijas oksidētiem atlikumiem
Poliamīds (neilons) 250-280 grādi slikta viskozitāte (100-400 Pa·s) 0,2-0,4 Gluda virsma novērš kapilāru ievilkšanu ielejās; augsta temperatūra nodrošina rūpīgu tīrāmību Agresīva šķīdinātāja vai kodīga tīrīšana; gluda virsma ļauj pilnībā noņemt ogles Polikarbonāts, 280–300 grādi, mērena viskozitāte (50–200 PET vai PBT poliesters 250–270 C Zema vai vidēja viskozitāte 0,3–0,5 Pas 0,15–0,30 Ļoti gluda, lai izvairītos no jebkādas polimēra nogulsnēšanās plaisās); svarīgi Mērens raupjums ar pulētiem ieplakām (īpaša apdare) Nepieciešams šķīdinātāja un vieglas noberšanās maisījums
Fluorpolimēru kausējums (FEP, pats PFA), 320–340 grādi (reti) 0,8–1,2 Nepieciešama raupjāka virsma, jo fluorpolimēri slikti piestiprinās pat augstā temperatūrā. Dzesēšana un mehāniskā lobīšana; raupja virsma palīdz atbrīvot
Polimēri kūst ar pildvielām (stikla šķiedra, minerāls, ogle) 0,5-0,9 Pietiekami raupja, lai kavētu pildītā kausējuma pielipšanu; pildvielas daļiņas var noberzt gludas virsmas. Iespējams, ka PFA abrazīvs nodilums Rupjāka sākotnējā virsma pagarina kalpošanas laiku 14.
Ražošanas metodes vajadzīgā raupjuma iegūšanai
Standarta ekstrudētās PFA caurules as-ekstrudētās iekšējās virsmas raupjums ir Ra=0.3–0,6 µm un ārējās virsmas raupjums Ra=0.5–1,2 µm atkarībā no presformas kvalitātes un dzesēšanas ātruma. Ir pieejamas pēc-ekstrūzijas apdares procedūras, lai nodrošinātu precīzu raupjuma kontroli lietojumprogrammām, kurās tas ir nepieciešams. Mehāniskā pulēšana, izmantojot secīgi smalkākus abrazīvus materiālus, var samazināt Ra līdz 0,05-0,1 µm, kas ir ideāli piemērots zemas-viskozitātes augstas temperatūras polimēriem. Tomēr pulēšana noņem PFA ārējo pārklājumu un var atklāt dziļākas spraugas vai piesārņotājus. Uzticamāks veids, kā nodrošināt regulētu raupjumu, ir norādīt teksturētu ekstrūzijas presformu. PFA caurules ārējā virsma iegūst zīmējumu no virsmām, kas apstrādātas ar elektriskās izlādes apstrādi (EDM) vai lāzera teksturēšanu ekstrūzijas laikā. Šī metode rada vienmērīgu, reproducējamu raupjumu bez sekundāriem procesiem. Tekstūras raksts var būt izotrops (nejaušs) vai orientēts paralēli ekstrūzijas virzienam. Ideāls kompromiss polimēru kausējuma apkalpošanai ir izotropiska tekstūra ar 50–150 um atstarpi starp maksimumiem, jo ​​nejauša orientācija novērš vēlamo mitrināšanu gar instrumentu atzīmēm. Vēl viena iespēja ir uzklāt plānu PFA kārtu (0,1–0,3 mm) uz raupjas metāla serdes, izmantojot elektrostatisko pulvera pārklājumu vai iemērkšanas pārklājumu. Pārklājumam ir pamata metāla topogrāfijas forma, un virsmas raupjumu nosaka metāla substrāta sagatavošana, nevis tikai fluorpolimērs. Šī kompozītmateriāla konstrukcija nodrošina precīzākas raupjuma pielaides (± 0,05 µm) nekā ekstrudētais PFA (± 0,2–0,3 µm).

Ietekme uz lauka validāciju un apkopi
Sildītājiem, kas jau tiek izmantoti, reālo virsmas raupjumu var izmērīt ar pārnēsājamu profilometru vai replikas lenti. PFA virsmas laika gaitā var pasliktināties termiskās novecošanas un tīrīšanas nobrāzuma dēļ. Jauns sildītājs ar Ra=0.6 µm pēc 2000 darbības stundām var izveidoties Ra=1.2 µm neliela pietūkuma dēļ, ko izraisa ķīmiskā caurlaidība, un mikro-plaisāšanu, ko izraisa termiskā cikliskums. Ja virsma ir raupjāka par augstāko ieteicamo robežu attiecīgajam polimēram, piesārņojums notiks ātrāk. Nelīdzenuma uzraudzība ar intervāliem ļauj prognozēt nomaiņu, pirms piesārņojums kļūst nekontrolējams. Svarīgiem polimēru sildīšanas lietojumiem virsmas raupjuma pielaide ±0,1 μm ap mērķa vērtību garantē atkārtojamu veiktspēju. Turklāt specifikācijā ir jāiekļauj pīķu skaita parametrs (Rpc, maksimumi uz centimetru), lai novērstu virsmas, kas atbilst Ra prasībām, bet kurām ir neatbilstošs pīķu atstatums-reti Ra=0.7 µm ar virsotnēm, kas atrodas 300 µm attālumā viena no otras, polimēru aizturēs savādāk nekā tas pats Ra ar 50 µm atstarpi. Pilna specifikācija var būt Ra=0.6 +/- 0.1 um ar Rpc > 50 virsotnēm/cm un Rz (vidējais maksimālais augstums) < 5,0 um. Kopā šie trīs faktori sniedz rūpīgāku virsmas mijiedarbības ar polimēru kausējumu aprakstu nekā Ra atsevišķi.

Secinājums: saskaņojiet kausējuma reoloģiju, nevis vispārinātu pieņēmumu, kas nav{0}}pielipis, ar raupjumu
PFA nepiedegošā īpašība nodrošina pamatu pretestībai pret līmes piesārņojumu, ko izraisa polimēru kausējums, taču tas, vai šī bāze tiek realizēta praksē, ir atkarīgs no virsmas raupjuma. Nedaudz raupjas virsmas (Ra=0.5-0.9 mm) samazina augstas viskozitātes kausējumu pirmo mitrināšanu, kas rodas mērenā temperatūrā, saglabājot kompozītu gaisa-polimēra saskarni. Gludas virsmas (Ra=0.15–0,4 µm) zemas viskozitātes vai augstas temperatūras kausēšanai novērš polimēra kapilāru iesprūšanu virsmas ielejās un ļauj rūpīgi noņemt sadalīšanās produktus. Bieži vien norādot “gluds PFA” bez raupjuma pielaides, faktiskā apdare tiek atstāta pēc ražotāja noklusējuma metodes, kas var būt optimāla vienam polimēra veidam, bet ne citam. Inženieriem, kas iegādājas PFA sildītājus polimēru kausējuma lietojumiem, no piegādātāja jāsaņem Ra vērtība un jāpieprasa virsmas profilometrijas ziņojums, pēc tam jāsaskaņo nelīdzenums ar prognozēto piesārņojuma veiktspēju, izmantojot ieteikumus iepriekš minētajā atlases tabulā. Zemākās izmaksas un vienkāršākā pieeja, ja ar piesārņojumu saistītais dīkstāves laiks pārsniedz pieļaujamās robežas, bieži vien ir mainīt noteikto virsmas raupjumu, nevis mainīt sildītāja jaudu vai ģeometriju.