Akú úlohu hrá drsnosť povrchu PFA plášťa pri predchádzaní zanášaniu lepidlom z tavenín polymérov?

Opakujúcim sa prevádzkovým problémom pri zahrievaní tavenín polymérov s vysokou viskozitou, ako sú tavné lepidlá, polyetylén, polypropylén alebo technické termoplasty, je vytváranie- lepidla na povrchu ohrievača. Roztavené polyméry majú tendenciu sa celkom ľahko lepiť na pevné povrchy, najmä ak je lokálna teplota vysoko nad bodom topenia polyméru. Malá vrstva sa prilepí a karbonizuje, čím izoluje a ešte viac zvyšuje miestnu teplotu plášťa, čo urýchľuje ďalšie zanášanie v samo-cykle zosilňovania. Nelepivé vlastnosti PFA poskytujú základnú úroveň uvoľňovania, avšak nie všetky povrchy PFA sú rovnaké. Veľkosť kontaktnej plochy medzi roztaveným polymérom a fluórpolymérovým plášťom je určená parametrom drsnosti povrchu (Ra, priemerná odchýlka výšky povrchu od strednej čiary). Hladšie povrchy zmenšujú mechanické vzájomné spojenie, ale môžu ponechať okrajovú vrstvu stagnujúceho polyméru vedľa steny neporušenú. V mikroskopickom meradle je skutočný kontakt nižší pre drsné povrchy, ale vytvárajú sa štrbiny, v ktorých sa môže hromadiť poškodený polymér. Výber najvhodnejšej drsnosti vyžaduje znalosť reologického správania taveniny jednotlivých polymérov a šmykových podmienok pri kontakte s ohrievačom.

Mechanizmus zanášania lepidla na fluoropolymérových povrchoch
Proces zanášania lepidla PFA je trojfázový{0}} proces vrátane zvlhčovania, retencie a karbonizácie. Počas fázy zvlhčovania sa roztavený polymér stretáva s povrchom PFA a šíri sa podľa Young-Dupreovej rovnice, ktorá spája kontaktný uhol s povrchovými energiami pevnej látky a kvapaliny. Nízka povrchová energia PFA (18-20 mN/m) vedie k veľkým kontaktným uhlom (zvyčajne 100-120 stupňov pre roztavené termoplasty) a tým k nízkej hnacej sile na roztieranie. Skutočné povrchy však nie sú úplne rovné. PFA plášť je tvorený mikroskopickými vrcholmi a úžľabinami, ktoré tvoria kompozitné rozhranie, pričom polymér sa dotýka len najvyšších miest. Na povrchu s nízkou energiou drsnosť ešte viac zvyšuje efektívny kontaktný uhol, pretože vzduch alebo para sa zachytávajú v úžľabiach; predpovedá to model Cassie-Baxter. Tento vplyv znamená, že na drsnejších povrchoch PFA by sa mala pozorovať výrazne znížená adhézia polyméru. Tento trend potvrdzujú experimentálne údaje pre početné taveniny polymérov: povrch PFA s Ra=1.5 µm má statické kontaktné uhly o 15-25 stupňov vyššie ako inak podobný povrch s Ra=0.1 µm. Menšia kontaktná plocha vedie k menšiemu zmáčaniu na začiatku, čo uľahčuje odstraňovanie priľnutých kvapôčok pohybom tekutiny alebo vibrácií predtým, ako sa spoja do súvislého filmu.

Fáza udržania je iná záležitosť. Ak je viskozita polyméru pri pracovnej teplote dostatočne nízka, kapilárne sily môžu ťahať roztavený materiál do priehlbín, keď polymér zmáča najvyššie vrcholy. V prípade polymérnych tavenín so zlou viskozitou (index toku taveniny > 20 g/10 min) slúžia priehlbiny ako rezervoáre, kde sa polymér zachytáva a progresívne degraduje v dôsledku dlhej doby zotrvania pri zvýšenej teplote. V prípade tavenín s vysokou viskozitou (MFI < 5 g/10 min) polymér nemôže ľahko tiecť do sub-mikrometrových žliabkov, a preto je zvýšená drsnosť stále výhodná. Kritický prechod nastáva pri viskozite približne 500–1 000 Pa·s. Drsnejšie povrchy vedú k nižšej adhézii nad týmto prahom a pod ním sú uprednostňované hladšie povrchy, pretože úžľabia sa stávajú miestami iniciácie znečistenia.

Karbonizácia a špinavý cyklus, ktorý sa sám zrýchľuje
Tretia etapa definuje praktickú životnosť medzi čisteniami. Tepelný rozklad zachyteného polyméru v povrchových žľaboch alebo pripevnených náplastiach na rovných povrchoch. Pri teplotách ohrievača PFA typických pre spracovanie polymérov (200-260 stupňov na povrchu plášťa) začínajú uhľovodíkové polyméry štiepenie reťazca a oxidáciu. Produkty degradácie vytvárajú uhlíkatý zuhoľnatený uhlík s vyššou povrchovou energiou ako čisté PFA (~40-50 mN/m). Táto zuhoľnatená vrstva podporuje ďalšie zmáčanie a priľnavosť, čo vedie k prichyteniu väčšieho množstva polyméru na rovnakom mieste. Izolačná funkcia zuhoľnatenej vrstvy zvyšuje lokálnu teplotu plášťa o 10-30 stupňov, čím urýchľuje zhoršovanie. Akonáhle sa vytvorí zuhoľnatené zuhoľnatenie, výhodná nepriľnavosť PFA sa stratí, pretože polymér neprichádza do kontaktu s PFA, ale prichádza do kontaktu s poškodeným zuhoľnateným uhlím. V závislosti od drsnosti pôvodného povrchu PFA je možné pri čistení odstrániť prvú vrstvu zuhoľnatenia. Hladký povrch PFA (Ra < 0,2 µm) možno čistiť mechanickým utieraním alebo opláchnutím rozpúšťadlom, aby sa odstránila väčšina produktov rozkladu. Agresívne čistenie neodstráni častice zuhoľnateného zhluku z žľabov hrubých PFA (Ra > 1,0 µm), ktoré pôsobia ako miesta nukleácie pre rýchle opätovné zachytenie pri reštarte. Údaje z terénnych pozorovaní aplikátorov tavného lepidla naznačujú, že optimum je v rozsahu 0,4 až 0,8 µm Ra pre ohrievače potiahnuté PFA. Toto je dostatočne drsné, aby sa zabránilo počiatočnému zmáčaniu taveninami s vysokou viskozitou, ale dostatočne hladké na to, aby umožnilo úplné vyčistenie zvyškov zuhoľnatenia pomocou štandardných rozpúšťadiel alebo ľahkého oderu.

Kvantifikácia optimálneho rozsahu drsnosti pre rôzne typy polymérov.
Kvantitatívne pokyny pre špecifikáciu drsnosti povrchu poskytujú kontrolované experimenty so znečistením na laboratórnom -ohrievači PFA ponorenom do rôznych polymérnych tavenín. Miera zanášania (hmotnosť priľnavého polyméru na jednotku plochy povrchu ohrievača za jednotku času) pre polyolefínové taveniny (polyetylén, polypropylén) spracované pri 200-240 stupňoch sa mení v rozsahu drsnosti od 0,1 do 2,0 um šesťnásobne. Ra=0.6–0,9 µm udáva minimálnu mieru znečistenia. Hladší povrch poskytuje lepšiu zmáčavosť, takže sa získa tenký, rovnomerný, priľnavý povlak, ktorý karbonizuje za 4 až 6 hodín. Drsnejšie povrchy zachytávajú polyméry v úžľabiach, a tak izolujú uzliny zuhoľnateného materiálu, ktoré sa formujú do makroskopických usadenín za 8-12 hodín. Optimálna drsnosť vedie k prerušovanému kontaktu, pri ktorom sa roztavený polymér dotýka len vrchných častí píkov so vzduchovými priestormi v údoliach a píky sú dostatočne oddelené (vzdialenosť píkov pre Ra=0.8 µm je 50–100 µm), aby sa zabránilo kapilárnemu zachytávaniu. Technické termoplasty spracované pri vyšších teplotách (260-300 stupňov), ako je polyamid alebo polykarbonát, sa rýchlejšie tepelne rozložia, akékoľvek zachytené polymérne zuhoľnatené látky v priebehu 1-2 hodín. Pre tieto materiály sa uprednostňuje hladší povrch (Ra=0.2–0,4 µm), pretože minimalizuje štrbiny, v ktorých môže polymér zostať dlhý čas. Vyššia teplota spracovania tiež trochu zmäkčuje PFA (hoci jeho bod topenia je 305-315 stupňov), čo uľahčuje polyméru navlhčiť aj nízkoenergetické povrchy. Kratšia povolená doba čistenia znamená, že povrchy je možné úplne obnoviť s malým úsilím.

Tabuľka výberu drsnosti plášťov PFA -
Nižšie uvedená tabuľka ponúka rozsahy drsnosti povrchu plášťov ohrievačov PFA na základe skupiny polymérov, teploty spracovania, viskozity taveniny a očakávaného postupu čistenia. Všetky pokyny predpokladajú nepretržité ponorenie do polymérnej taveniny bez akéhokoľvek mechanického utierania alebo škrabiek dotýkajúcich sa vykurovacieho povrchu.

Skupina polymérov a podmienky spracovania Odporúčaný rozsah Ra (μm) Primárne prostriedky odolnosti voči znečisteniu Kompatibilita čistenia
Hot melt adhesives (EVA, polyolefin) 150–180 °C high viscosity (>5 000 Pa·s) 0,7–1,0 Vysoký kontaktný uhol zabraňuje počiatočnému zmáčaniu Údolia sú naplnené vzduchom kvôli vysokej viskozite Rozpúšťadlom namáčanie odstraňuje zvyšky; žiadne abrazívne čistiace prostriedky
Polyetylén (LDPE, HDPE), 200-230 stupňov, stredná viskozita (500 – 2 000 Pa·s) 0,5 – 0,8 Vyvážená znížená vlhkosť bez hlbokých žliabkov na ukladanie zuhoľnateného materiáluPravidelné oplachovanie rozpúšťadlom alebo jemné čistenie netkanou utierkou
Polypropylén, stredná viskozita (400 – 1 500 Pa·s) 0,4 – 0,7 Podobné ako PE, ale trochu hladšie, aby sa zabránilo zachyteniu pri vysokej teplote Alkalické čistiace chemikálie na oxidované zvyšky
Polyamid (nylon) 250-280 stupňov zlá viskozita (100-400 Pa·s) 0,2-0,4 Hladký povrch zabraňuje kapilárnemu ťahu do úžľabia; vysoká teplota umožňuje dôkladné čistenie Agresívne čistenie rozpúšťadlami alebo žieravinami; hladký povrch umožňuje úplné odstránenie zuhoľnateného materiálu Polykarbonát, 280–300 stupňov, stredná viskozita (50–200 PET alebo PBT polyester 250–270 C Nízka až stredná viskozita 0,3–0,5 Pa s 0,15–0,30 Veľmi hladký, aby sa zabránilo akémukoľvek zdržiavaniu polyméru v štrbinách; intervaly tepelného poškodenia – dôležité 8 častejšie 2 častejšie drsnosť s leštenými žliabkami (špeciálna úprava) Vyžaduje zmes rozpúšťadla a ľahkého oderu
Fluórpolymérová tavenina (FEP, samotná PFA), 320 – 340 stupňov (zriedkavé) 0,8 – 1,2 Je potrebný drsnejší povrch, pretože fluórpolyméry sa dobre neprichytávajú ani pri vysokej teplote Chladenie a mechanické odlupovanie; drsný povrch pomáha uvoľňovať
Polymér sa taví s plnivami (sklenené vlákno, minerál, sadze) 0,5-0,9 dostatočne drsný na to, aby zabránil priľnutiu naplnenej taveniny; Častice plniva môžu obrusovať hladké povrchy Pravdepodobne abrazívne opotrebovanie PFA Hrubší počiatočný povrch zvyšuje životnosť 14.
Výrobné metódy na získanie požadovanej drsnosti
Štandardné extrudované PFA rúrky majú ako-drsnosť extrudovaného vnútorného povrchu Ra=0.3–0,6 µm a drsnosť vonkajšieho povrchu Ra=0.5–1,2 µm v závislosti od kvality lisovnice a rýchlosti chladenia. Pre aplikácie, ktoré si to vyžadujú, sú k dispozícii postupy dokončovania po extrúzii na dosiahnutie jemnej kontroly drsnosti. Mechanické leštenie využívajúce postupne jemnejšie abrazívne médiá môže znížiť Ra na 0,05-0,1 µm, čo je ideálne pre nízkoviskózne vysokoteplotné polyméry. Leštenie však odstráni vonkajší povlak PFA a môže odhaliť hlbšie medzery alebo nečistoty. Spoľahlivejším spôsobom, ako zabezpečiť regulovanú drsnosť, je špecifikovať textúrovanú vytláčaciu hubicu. Vonkajší povrch trubice PFA získava vzor z povrchov upravených elektrickým výbojovým obrábaním (EDM) alebo laserovou textúrou počas extrúzie. Táto metóda vytvára rovnomernú, reprodukovateľnú drsnosť bez sekundárnych procesov. Vzor textúry môže byť izotropný (náhodný) alebo orientovaný rovnobežne so smerom extrúzie. Ideálnym kompromisom pre tavenie polyméru je izotropná textúra s rozstupom vrcholov 50-150 um, pretože náhodná orientácia eliminuje preferenčné zmáčanie pozdĺž značiek nástrojov. Ďalšou možnosťou je nanesenie tenkej vrstvy PFA (0,1-0,3 mm) na zdrsnené kovové jadro pomocou elektrostatického práškového lakovania alebo máčania. Povlak má tvar topografie podkladového kovu a drsnosť povrchu sa riadi skôr prípravou kovového substrátu než samotným fluórpolymérom. Táto kompozitná konštrukcia umožňuje presnejšie tolerancie drsnosti (±0,05 µm) ako extrudované PFA (±0,2–0,3 µm).

Dôsledky pre overenie a údržbu v teréne
Pri ohrievačoch, ktoré sa už používajú, je možné skutočnú drsnosť povrchu merať pomocou prenosného profilometra alebo replikačnej pásky. Povrchy PFA podliehajú časom znehodnoteniu v dôsledku tepelného starnutia a oderu pri čistení. Nový ohrievač s Ra=0.6 µm môže vyvinúť Ra=1.2 µm po 2 000 prevádzkových hodinách v dôsledku mierneho napučiavania spôsobeného chemickou permeáciou a mikro-trhlín v dôsledku tepelných cyklov. Ak je povrch drsnejší, než je najvyšší limit odporúčaný pre príslušný polymér, dochádza k zanášaniu rýchlejšie. Monitorovanie drsnosti v intervaloch umožňuje prediktívnu výmenu predtým, ako sa znečistenie vymkne kontrole. Pre dôležité aplikácie ohrevu polymérov zaručuje tolerancia drsnosti povrchu ±0,1 μm okolo cieľovej hodnoty opakovateľný výkon. Okrem toho by špecifikácia mala obsahovať parameter počtu vrcholov (Rpc, vrcholy na centimeter), aby sa zabránilo povrchom, ktoré spĺňajú požiadavky Ra, ale majú nevhodný rozstup vrcholov-vzácny Ra=0.7 µm s vrcholmi vzdialenými od seba 300 µm zachytí polymér inak ako ten istý Ra s rozstupom 50 µm. Úplná špecifikácia môže byť Ra=0.6 +/- 0.1 um s Rpc > 50 vrcholov/cm a Rz (priemerná maximálna výška) < 5,0 um. V kombinácii tieto tri faktory poskytujú dôkladnejší opis povrchovej interakcie s polymérnymi taveninami ako samotný Ra.

Záver: Prispôsobte reológiu taveniny, nie zovšeobecnený ne{0}}predpoklad o tyčinkách, s drsnosťou
Nepriľnavá vlastnosť PFA poskytuje základ pre odolnosť voči zanášaniu lepidlom taveninami polymérov, ale či sa tento základ realizuje v praxi, závisí od drsnosti povrchu. Mierne drsné povrchy (Ra=0.5-0.9 mm) znižujú prvé zmáčanie tavenín s vysokou-viskózou vyrábaných pri miernych teplotách tým, že zachovávajú kompozitné vzduchové-polymérne rozhranie. Hladké povrchy (Ra=0.15 – 0,4 µm) pre taveniny s nízkou viskozitou alebo vysokou teplotou zabraňujú kapilárnemu zachyteniu polyméru v povrchových úžľabiach a umožňujú dôkladné odstránenie produktov rozpadu. Často uvádzanie "hladké PFA" bez tolerancie drsnosti ponecháva skutočnú povrchovú úpravu na predvolenú metódu výrobcu, ktorá môže byť optimálna pre jeden typ polyméru, ale nie pre iný. Inžinieri, ktorí nakupujú ohrievače PFA pre aplikácie polymérovej taveniny, by mali dostať hodnotu Ra od dodávateľa a vyžiadať si správu o profilometrii povrchu, potom korelovať drsnosť s predpokladaným znečistením pomocou odporúčaní vo výberovej tabuľke vyššie. Najjednoduchším a najpriamejším prístupom, ak prestoje súvisiace so znečistením{11}}prekročia prijateľné limity, je často zmena predpísanej drsnosti povrchu, nie zmena výkonu ohrievača alebo geometrie.