Почему полированная титановая поверхность нагревателя снижает скорость загрязнения в 3 раза по сравнению с обработанной-поверхностью в расплавах полимеров?

Если вы инженер-технолог, нагревающий расплавы полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен или ПЭТ, расплавленный полимер прилипает к поверхности нагревателя, образуя слой загрязнения, который изолирует нагреватель, препятствует теплопередаче и вызывает локальный перегрев. Полированная титановая поверхность (Ra < 0,4 мкм) снижает скорость загрязнения примерно в 3 раза по сравнению с типичной поверхностью,-обработанной на заводе (Ra 1,0–1,5 мкм) при использовании того же полимера. Снижение происходит за счет двух механизмов: меньшей эффективной площади поверхности адгезии и меньшего механического сцепления. Полированная поверхность имеет меньше крошечных пространств для захвата расплавленного полимера, а более гладкая топография позволяет полимеру течь мимо нагревателя с небольшим нарушением пограничного слоя. Эти знания позволяют инженеру определить правильное качество поверхности полимеров при нагревании и сбалансировать стоимость полировки с длительными производственными циклами между циклами очистки.

Адгезия расплавов полимеров к титановым поверхностям.
Адгезия между поверхностью титанового нагревателя и расплавленным полимером обусловлена ​​силами Ван-дер-Ваальса, водородной связью (при наличии полярных групп) и механическим сцеплением. Механическое крепление обеспечивается микроскопическими выступами и впадинами (обычно глубиной 1–5 мкм) на обработанной - титановой поверхности. Эти желоба заполнены текущим расплавленным полимером, который затвердевает при охлаждении и закрепляется на месте. Удаление слоя загрязнения требует повторного-плавления полимера (что может быть непрактично при непрерывном процессе) или механической очистки, которая повреждает поверхность титана и увеличивает шероховатость для дальнейших циклов.

На полированной титановой поверхности впадины мельче (часто глубиной <0,4 мкм) и тоньше. Силы поверхностного натяжения больше, чем давление, заставляющее полимер образовывать такие мелкие детали, поэтому расплавленный полимер не течет в эти микро-впадины. Когезионная прочность полимера-полимера ниже, чем прочность сцепления полимера-титана, поэтому слой полимера легче отделить от полированной поверхности. Полированная поверхность также будет иметь уменьшение реальной площади поверхности на расчетную площадь примерно на 60-80% по сравнению с поверхностью, обработанной фрезеровкой, тем самым уменьшая общее количество потенциальных мест адгезии.

Количественная оценка снижения скорости загрязнения, вызванного полировкой-
Скорость загрязнения обычно определяется как скорость повышения теплового сопротивления в единицу времени (м2·К/кВт в час) или скорость снижения коэффициента теплопередачи как функция времени. Полиэтилен имеет температуру 200 градусов и течет через титановый нагреватель со скоростью 0,5 м/с.

Шероховатость поверхности Ra (мкм) Начальная скорость загрязнения (м2.К/кВт в день) Время до 20% потерь теплопередачи (d) Необходимая частота очистки Относительная скорость загрязнения
Окончание мельницы (как показано) 1.2-1.5 0.12 5-7 Еженедельно 3,0x
Механическая полировка (ленточная) 0,6–0.8 0.07 10–14 раз в-еженедельно 1,8×
Механическая полировка (тонкая) 0,3–0.5 0.05 15–20 2–3 недели 1,3× Электрополировка 0,1–0.2 0.04 20–25 1 месяц 1,0× (базовый уровень)
Суперполированная (химическая-механическая) < 0.05 0.03 30-350.8× Каждые 4–6 недель
Полированная поверхность (Ra 0,3-0,5 мкм) снижает скорость загрязнения примерно на 60% по сравнению с фрезерной отделкой, т.е. производственные циклы между циклами очистки увеличиваются в 2,5-3 раза. Для непрерывного процесса полимеризации увеличение интервала очистки с еженедельной до двухнедельной или ежемесячной может значительно сократить время простоя и затраты на рабочую силу.

Руководство-на основе сценариев по определению качества поверхности титана при работе с полимерами
Тип полимера и температура обработки. Склонность к адгезии. Рекомендуемые методы обработки поверхности. Совместимость с финишной обработкой и ожидаемое снижение загрязнения.
Полиэтилен (не-полярный) 180–220 градусов От низкой до умеренной Механическая полировка (Ra 0,4–0,6 мкм) Уменьшение 2–3 × Механическая очистка допустима (полировка медленно разрушается)
Полипропилен (не-полярный) 200–250 градусов От низкой до умеренной Механическая полировка (Ra 0,3–0,5 мкм) Уменьшение в 2–3 раза Предпочтительно сохранять полировку посредством химической очистки.
ПЭТ (полярный, гигроскопичный), 260–280 градусов От умеренной до умеренной Электрополировка (Ra < 0,2 мкм) Уменьшение в 3–4 раза Требуется химическая очистка. Электрополировка разрушается при механической чистке.
Нейлон (полярный, с высоким содержанием водородных связей) 240-270 o C Высокая электрополировка + антиадгезионное покрытие (ПТФЭ или Ni-ПТФЭ) Уменьшение в 4–6 раз Только химическая очистка. Разделительное покрытие дополнительно минимизирует прилипание.
Разрушение ПВХ (подвержен разложению) 170–200 градусов Умеренное (хотя продукты разложения прилипают) Механическая полировка (Ra от 0,4 до 0,6 мкм) Уменьшение в 2–3 раза Независимо от полировки. Необходима частая очистка во избежание накопления продуктов разложения.
Фторполимер (ПТФЭ, ПФА) 300-350 CОчень низкий (самовысвобождение)Полировка приемлема. Полировка не дает существенной выгоды. Расходы на полировку не оправданы. Титан и ПТФЭ не связываются.
Инженерное дело помимо полировки: другие стратегии уменьшения загрязнения
Когда загрязнение полимера на полированной поверхности по-прежнему проблематично, различные дополнительные решения еще больше минимизируют прилипание. Перманентное антиадгезионное покрытие - никеля, полученного химическим способом, с со-осажденными частицами ПТФЭ (Ni-ПТФЭ) – создает слой с низкой поверхностной энергией (около 20 дин/см по сравнению с 50–60 дин/см у титана). Поверхность Ni-PTFE не смачивается расплавленным полимером, и любой полимер, контактирующий с поверхностью, легко высвобождается. Срок службы покрытия в расплаве полимера до выгорания ПТФЭ составляет 1–3 года. Второй метод – оптимизация геометрии нагревателя. Гладкая, непрерывная трубка без трещин, сварных швов и резких переходов сводит к минимуму места застоя полимера, где начинается загрязнение. Третий метод – регулирование температуры. Работа нагревателя при минимальной температуре, необходимой для течения полимера, снижает скорость термической деградации. Термическое разложение приводит к образованию липких побочных продуктов, которые усугубляют загрязнение.

Вывод: полированный титан снижает загрязнение полимера в 3 раза.
При работе с расплавом полимера полированная поверхность титанового нагревателя (Ra < 0,4 мкм) снижает скорость загрязнения примерно в 3 раза по сравнению с поверхностью, обработанной мельницей-(Ra 1,0–1,5 мкм). Уменьшение объясняется уменьшением площади поверхности адгезии, удалением мест механического сцепления и уменьшением нарушения пограничного слоя. Для полиэтилена и полипропилена механическая полировка до Ra 0,3–0,5 мкм увеличивает интервалы очистки с еженедельной до двух-недельных или ежемесячных. Электрополировка полярных полимеров, таких как ПЭТ и нейлон, до 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.