Zašto polirana površina grijača od titana smanjuje stopu onečišćenja za faktor 3 u usporedbi s glodali-završenom površinom u talinama polimera?

Ako ste inženjer procesa zagrijavanja polimernih talina kao što su polietilen, polipropilen ili PET, rastaljeni polimer lijepi se za površinu grijača, stvarajući sloj zaprljanja koji izolira grijač, sprječava prijenos topline i uzrokuje lokalno pregrijavanje. Polirana površina od titana (Ra < 0,4 µm) smanjuje stopu onečišćenja za otprilike 3 puta u usporedbi s tipičnom mlinskom-završnom površinom (Ra 1,0–1,5 µm) u istoj upotrebi polimera. Smanjenje je posljedica dva mehanizma, manje efektivne površine za prianjanje i manjeg mehaničkog međusobnog blokiranja. Polirana površina ima manje sićušnih prostora za zahvat rastaljenog polimera, a glatkija topografija dopušta polimeru da teče pored grijača uz malo ometanja graničnog sloja. Ovo znanje omogućuje inženjeru da definira pravu kvalitetu površine za polimere u primjenama grijanja i da uravnoteži troškove poliranja s dugim proizvodnim ciklusima između ciklusa čišćenja.

Prianjanje polimernih talina na površine od titana
Prianjanje između površine grijača od titana i rastaljenog polimera uzrokovano je van der Waalsovim silama, vodikovim vezama (ako su polarne skupine prisutne) i mehaničkim međusobno blokiranjem. Mehaničko učvršćivanje osiguravaju mikroskopski vrhovi i udoline (obično duboke 1–5 µm) na glodalo-završenoj površini od titana. Ova korita su ispunjena tekućim rastaljenim polimerom koji se stvrdnjava hlađenjem i učvršćuje na mjestu. Uklanjanje zaprljanog sloja zahtijeva ponovno -taljenje polimera (što možda nije praktično u kontinuiranom procesu) ili mehaničko struganje koje oštećuje površinu titana i povećava hrapavost za daljnje cikluse.

Žlijebovi su plići (često dubine < 0,4 µm) i tanji na poliranoj površini od titana. Sile površinske napetosti su veće od pritiska koji tjera polimer na tako male dijelove, stoga rastaljeni polimer ne teče u te mikro-doline. Kohezijska čvrstoća polimera-polimera niža je od čvrstoće ljepila polimera-titana, pa se sloj polimera lakše odvaja od polirane površine. Polirana površina također će imati približno 60-80% smanjenje stvarne površine po projektiranoj površini u usporedbi s brušeno obrađenom površinom, čime se smanjuje ukupan broj potencijalnih mjesta prianjanja.

Kvantifikacija inhibicije stope onečišćenja-inducirane poliranjem
Stopa onečišćenja obično se definira kao brzina porasta toplinskog otpora po jedinici vremena (m2.K/kW po satu) ili stopa opadanja koeficijenta prijenosa topline kao funkcija vremena. Polietilen je na temperaturi od 200 stupnjeva i teče preko titanskog grijača brzinom od 0,5 m/s.

Površinska obrada Ra (µm) Početna stopa onečišćenja (m2.K/kW po danu) Vrijeme do 20% gubitka prijenosa topline (d) Potrebna učestalost čišćenja Relativna stopa onečišćenja
Završna obrada (kao što je nacrtano) 1.2-1.5 0.12 5-7 Tjedno 3,0x
Mehanički polirano (remen) 0,6–0.8 0.07 10–14 Bi-tjedno 1,8×
Mehanički polirano (fino) 0,3–0.5 0.05 15–20 2–3 tjedna 1,3× Elektropolirano 0,1–0.2 0.04 20–25 1 mjesec 1,0× (osnovno)
Superpolirano (kemijsko-mehaničko) < 0.05 0.03 30-350.8× Svakih 4-6 tjedana
Polirana površina (Ra 0,3-0,5 µm) smanjuje stopu onečišćenja za oko 60% u usporedbi sa završnom obradom mlina, tj. proizvodni ciklusi između ciklusa čišćenja su 2,5-3 puta duži. Za kontinuirani polimerni proces, povećanje intervala čišćenja s tjednog na dvotjedno ili mjesečno može dramatično smanjiti vrijeme zastoja i troškove rada.

Vodič-temeljen na scenariju za određivanje završne obrade površine od titana u polimernim uslugama
Vrsta polimera i temperatura obrade Sklonost prianjanju Preporučena površinska obrada Metode čišćenja Kompatibilnost s završnim brušenjem u odnosu na očekivano smanjenje onečišćenja
Polietilen (ne{0}}polarni) 180–220 stupnjeva Niska do umjerena Mehanički polirana (Ra 0,4-0,6 µm) Redukcija 2-3×Mehaničko struganje je u redu (Policija se sporo razgrađuje)
Polipropilen (ne-polarni) 200-250Â stupnjeva Niska do umjerena Mehanički poliran (Ra 0,3-0,5 µm) 2-3 puta smanjenje. Poželjno je da se poliranje održi kemijskim čišćenjem.
PET (polarni, higroskopni), 260–280 stupnjeva Umjereno do umjereno Elektropolirano (Ra < 0,2 µm) Redukcija 3–4× Potrebno kemijsko čišćenje. Elektrolatura uništena mehaničkim čišćenjem.
Najlon (polarni, jako vodikovo vezivanje) 240-270 o C Visoko elektropolirani + premaz za odvajanje (PTFE ili Ni-PTFE) 4-6× smanjenje Samo kemijsko čišćenje. Premaz za odvajanje dodatno smanjuje prianjanje.
Degradacija PVC (podložan degradaciji) 170-200 stupnjeva Umjereno (iako proizvodi degradacije prianjaju) Mehanički polirano (Ra 0,4 do 0,6 µm) Smanjenje 2-3× Bez obzira na poliranje. Potrebno je često čišćenje kako bi se izbjeglo nakupljanje proizvoda razgradnje.
Fluorpolimer (PTFE, PFA) 300-350 CVrlo nizak (samootpuštanje) Završna obrada glodanja prihvatljiva Poliranje nije značajna prednost Troškovi poliranja nisu opravdani. Titan i PTFE se ne vežu.
Inženjering izvan poliranja: druge strategije za smanjenje obraštanja
Kada je polimerno onečišćenje još uvijek problematično s poliranom površinom, razna komplementarna rješenja dodatno smanjuju prianjanje. Prevlaka za trajno odvajanje - neelektrični nikl s ko-taloženim PTFE česticama (Ni-PTFE) – stvara sloj niske površinske energije (oko 20 dyna/cm naspram 50–60 dyna/cm kod titana). Površinu Ni-PTFE-a ne smoči rastaljeni polimer i svaki polimer koji dođe u kontakt s površinom lako se oslobađa. Životni vijek premaza u polimernoj talini prije izgaranja PTFE-a je 1-3 godine. Druga tehnika je optimizacija geometrije grijača. Glatka, kontinuirana cijev bez pukotina, zavara ili oštrih prijelaza smanjuje mjesta stagnacije polimera na kojima počinje onečišćenje. Treća tehnika je reguliranje temperature. Rad grijača na minimalnoj temperaturi potrebnoj za protok polimera smanjuje brzinu toplinske degradacije. Toplinska degradacija proizvodi ljepljive nusprodukte koji pogoršavaju onečišćenje.

Zaključak: polirani titan smanjuje onečišćenje polimera za 3 puta
Kod upotrebe taline polimera, polirana površina grijača od titana (Ra < 0,4 µm) smanjuje stopu onečišćenja za faktor od približno 3 u usporedbi s površinom obrađenom mlinom (Ra 1,0–1,5 µm). Smanjenje se pripisuje smanjenoj površini za prianjanje, uklanjanju mehaničkih isprepletenih mjesta i smanjenom poremećaju graničnog sloja. Za polietilen i polipropilen, mehaničko poliranje do Ra 0,3–0,5 µm povećava intervale čišćenja s tjednih na dva-tjedna ili mjesečna. Elektropoliranje polarnih polimera kao što su PET i najlon na Ra< 0.2 µm reduces fouling 3-4x and application of a PTFE-based release coating further improves performance. If you are specifying a titanium heater for any polymer heating application where fouling limits the length of the production run, be sure to include a quantified surface finish requirement (for example, "Ra ≤ 0.4 µm measured by profilometer") in the purchase specification to ensure that the delivered heater will provide the fouling resistance and extended cleaning intervals you expect.