Problém tvorby bublín pri vysoko{0}}tepelnom spracovaní polymérov
Predpolyméry z tekutého kryštalického polyesteru (LCP)-spracované pri 300 stupňoch v tavných-fázových reaktoroch vyžadujú ohrievače-zapuzdrené PFA. Zvyškové rozpúšťadlá (voda, acetón alebo NMP) zachytené v zapuzdrení PFA pri týchto extrémnych teplotách prchajú a vytvárajú bubliny na rozhraní polyméru a kovu, ktoré expandujú a delaminujú vrstvu PFA. Kvantitatívna analýza z 12 výrobných liniek LCP ukazuje, že zníženie obsahu zvyškového rozpúšťadla z 0,5 % na 0,1 % znižuje hustotu nukleácie bublín z 25 na 3 bubliny na cm² po 1000 hodinách, čím sa predlžuje životnosť ohrievača z 2000 na 8000 hodín.
Mechanizmus odparovania rozpúšťadla a tvorby bublín
PFA absorbuje zvyškové spracovateľské rozpúšťadlá počas výroby (extrúzia, lisovanie alebo tepelné zmršťovanie) s typickými hladinami 0,3-0,8 % hmotnosti. Pri 300 stupňoch tlak pár bežných rozpúšťadiel presahuje 100 barov, čo je oveľa viac ako 10-20 MPa sila PFA pri tejto teplote. Keď sa rozpúšťadlo odparí na rozhraní polymér-kov, vytvára bubliny, ktoré expandujú a vytláčajú PFA z jadra. Kritický polomer bubliny pre šírenie sa mení s povrchovou energiou, pevnosťou na rozhraní a tlakom pár. Modelovanie pomocou konečných prvkov ukazuje, že bubliny s priemerom väčším ako 50 mikrónov sa samy šíria a rastú, až kým sa nespoja a nespôsobia úplnú delamináciu na ploche 10-100 mm².
Typ zvyškového rozpúšťadla a charakteristiky bubliny
Rôzne reziduálne rozpúšťadlá vytvárajú odlišné nukleačné správanie bublín na základe ich bodov varu a interakcie s PFA. Voda (bod varu 100 stupňov ) sa počas počiatočného zahriatia úplne vyparí-až do 300 stupňov a vytvára veľa malých bubliniek (50-100 mikrónov), ktoré sa môžu znova rozpustiť, ak sa udrží tlak. Acetón (56 stupňov) sa odparuje ešte skôr, ale má nižšiu rozpustnosť v PFA, čím vzniká menej, ale väčšie bubliny (200-500 mikrónov). NMP (202 stupňov) sa postupne vyparuje v širokom rozsahu teplôt a vytvára súvislý prúd malých bubliniek, ktoré postupne oslabujú rozhranie. Pri spracovaní LCP pri 300 stupňoch sú zvyšky vody a NMP najproblematickejšie, pretože ich profily odparovania sa prekrývajú s rozsahom zmäkčovania PFA (260-310 stupňov), kde je polymér najviac vyhovujúci a expanzia bublín je najmenej odolná.
Hustota tvorby bublín podľa zvyškovej úrovne
Zrýchlené testy starnutia pri 300 stupňoch pod dusíkovou atmosférou s použitím kupónov PFA naviazaných na substráty Incoloy ukazujú jasnú koreláciu medzi zvyškovým obsahom rozpúšťadla a delamináciou vyvolanou bublinami: -
| Obsah zvyškového rozpúšťadla (hmotn. %) | Hustota tvorby bublín po 500 hodinách (bubliny/cm²) | Priemerný priemer bubliny (mikróny) | Čas do počiatočnej tvorby bublín (hodiny) | Projektovaná životnosť ohrievača po delamináciu (hodiny) |
|---|---|---|---|---|
| 0.1% | 2-4 | 30-50 | 800 | 8000 |
| 0.2% | 8-12 | 50-80 | 400 | 5500 |
| 0.3% | 15-20 | 80-120 | 250 | 4000 |
| 0.4% | 22-28 | 100-150 | 150 | 3000 |
| 0.5% | 25-35 | 120-200 | 100 | 2000 |
Po{0}}spracovaní na zníženie zvyškového rozpúšťadla
Výrobcovia môžu po zapuzdrení PFA znížiť zvyškový obsah rozpúšťadla vákuovým sušením alebo tepelným žíhaním. Vákuové sušenie pri 120 stupňoch a 50 mbar počas 24 hodín znižuje obsah rozpúšťadla z 0,5 % na 0,15-0,20 %. Tepelným žíhaním pri 180 stupňoch na vzduchu počas 48 hodín sa dosiahne 0,10-0,12 %, ale môže spôsobiť miernu povrchovú oxidáciu (zožltnutie), ktorá nemá vplyv na výkon pri 300 stupňoch . Dvojstupňové spracovanie (vákuum s následným tepelným žíhaním) dosahuje 0,08-0,10 % zvyškového rozpúšťadla. Dodatočné spracovanie zvyšuje náklady na ohrievač o 10-15%, ale predlžuje životnosť 3-4x v službe LCP. Pre kritické aplikácie špecifikujte postenkapsulačné žíhanie s meraním zvyškového rozpúšťadla termogravimetrickou analýzou (TGA) na deštruktívnej vzorke z každej výrobnej šarže.
Hrúbka steny a šírenie bublín
Hrubšie steny PFA odolávajú šíreniu bublín, pretože musí byť premiestnených viac materiálu, aby bublina narástla do kritickej veľkosti. Pre danú nukleáciu bublín si 2,5 mm stena vyžaduje 1,7x väčší objem pary na dosiahnutie delaminácie v porovnaní so stenou 1,5 mm. Avšak hrubšie steny tiež obsahujú väčší absolútny objem rozpúšťadla (2,5 mm stena má o 67 % väčší objem polyméru ako 1,5 mm pre rovnakú plochu), čo potenciálne poskytuje väčší zdroj pary. Čistým efektom je, že hrubšie steny sú prospešné, ak je koncentrácia zvyškového rozpúšťadla nízka (< 0.2%) because the added material strength outweighs the increased solvent inventory. At higher residual levels (>0,4%), hrubšie steny v skutočnosti zhoršujú delamináciu tým, že poskytujú väčší zdroj pary. Pre spracovanie LCP pri 300 stupňoch špecifikujte 2,2 mm steny so zvyškovým rozpúšťadlom pod 0,15 %.
LCP interakcia taveniny s bublinami
Bubliny, ktoré sa tvoria na polymérnom-kovovom rozhraní, ale nespôsobujú úplnú delamináciu, môžu aj tak ovplyvniť výkon ohrievača vytvorením tepelného odporu. Tavenina LCP pri 300 stupňoch má tepelnú vodivosť 0,25 W/m·K, podobne ako PFA. 100-mikrónová vzduchová bublina (0,026 W/m·K) pridáva tepelný odpor ekvivalentný 1,0 mm PFA a vytvára lokálne horúce miesta. Infračervené zobrazenie prevádzkovaných ohrievačov po 1000 hodinách ukazuje, že povrchy s hustotou bublín 10 bublín/cm² vyvíjajú teplotné zmeny ±12 stupňov, čo spôsobuje nerovnomernú polymerizáciu LCP. Pre typy LCP citlivé na rovnomernosť teploty (väčšina má špecifikáciu ±5 stupňov) musí hustota bublín zostať pod 5 bublín/cm² počas celej životnosti, čo vyžaduje zvyškové rozpúšťadlo pod 0,15 % a hrúbku steny 2,0-2,2 mm.
Špecifikácia pre LCP pred{0}}polymérové ohrievače
Pre spracovanie tekutého kryštalického polyesteru pred-polymérom pri 300 stupňoch špecifikujte zapuzdrenie PFA s obsahom zvyškového rozpúšťadla pod 0,15 % meraného pomocou TGA (zahrievanie na 350 stupňov pri 10 stupňoch/min pod dusíkom). Vyžadovať žíhanie po-zapuzdrení pri 180 stupňoch počas 48 hodín alebo zdokumentovaný ekvivalentný proces. Pre hrúbku steny špecifikujte 2,0-2,2 mm, aby ste vyvážili mechanickú pevnosť a zníženú zásobu rozpúšťadla. Požiadajte dodávateľa o testovanie bublín pomocou reprezentatívnych substrátov Incoloy zahriatych na 320 stupňov počas 100 hodín; prijateľné vzorky nevykazujú žiadne bubliny viditeľné pri 10-násobnom zväčšení. Pre nepretržitú 300-stupňovú prevádzku presahujúcu 5000 hodín požadujte obsah zvyškového rozpúšťadla pod 0,10 % a zvážte štvrťročnú infračervenú kontrolu prevádzkových ohrievačov, aby ste zistili tvorbu bublín pred pokračovaním delaminácie. Pri vyžiadaní cenových ponúk špecifikujte maximálnu povolenú hustotu bublín (zvyčajne 5 bublín/cm²) v zamýšľanom intervale výmeny. Dodávatelia, ktorí majú skúsenosti so spracovaním polymérov pri vysokých{24}}teplotách, môžu poskytnúť certifikáciu zvyškového rozpúšťadla a údaje o bublinových testoch ako dokumenty štandardnej kvality. Prírastkové náklady na nízke-zostatkové spracovanie (15-20 % prémia) sú odôvodnené elimináciou predčasných porúch, ktoré spôsobujú odchýlky zosieťovania LCP a nešpecifikovaného odpadu produktov v hodnote 50 000 – 50 000 – 100 000 na dávku pri nepretržitej výrobe LCP.
