Zašto polirana površina grijača od titanijuma smanjuje stope onečišćenja za faktor od 3 u poređenju sa mlin{1}}gotovom površinom u polimernim topljenjima?

Ako ste procesni inženjer koji zagrijava polimerne taline kao što su polietilen, polipropilen ili PET, rastopljeni polimer se lijepi za površinu grijača, formirajući sloj zaprljanja koji izolira grijač, inhibira prijenos topline i uzrokuje lokalizirano pregrijavanje. Polirana površina od titanijuma (Ra < 0,4 µm) smanjuje stope prljanja za otprilike 3 puta u poređenju sa tipičnom - gotovom površinom (Ra 1,0–1,5 µm) u istom polimernom servisu. Smanjenje je zbog dva mehanizma, manje efektivne površine za prianjanje i manjeg mehaničkog blokiranja. Polirana površina ima manje sićušnih prostora za prianjanje rastopljenog polimera, a glatkija topografija omogućava polimeru da teče pored grijača uz malo narušavanja graničnog sloja. Ovo znanje omogućava inženjeru da definiše pravi kvalitet površine za polimere u aplikacijama za grejanje i da uravnoteži troškove poliranja sa dugim proizvodnim ciklusima između ciklusa čišćenja.

Adhezija polimernih talina na titanijumske površine
Adhezija između površine titanijumskog grijača i rastaljenog polimera uzrokovana je van der Waalsovim silama, vodoničnom vezom (ako su prisutne polarne grupe) i mehaničkim spajanjem. Mehaničko sidrenje je omogućeno mikroskopskim vrhovima i dolinama (obično 1-5 µm duboke) na mljevenoj-obrađenoj površini od titanijuma. Ova korita su punjena tekućim rastopljenim polimerom koji se pri hlađenju stvrdne i učvrsti na mjestu. Uklanjanje zaprljajućeg sloja zahtijeva ponovno-otapanje polimera (što možda nije praktično u kontinuiranom procesu) ili mehaničko struganje koje oštećuje površinu titanijuma i povećava hrapavost za dalje cikluse.

Korita su plića (često < 0,4 µm duboka) i tanja na poliranoj površini od titanijuma. Sile površinskog napona su veće od pritiska koji tjera polimer na tako male dijelove, stoga rastopljeni polimer ne teče u ove mikro-doline. Čvrstoća kohezije polimera{4}}polimera niža je od adhezivne čvrstoće polimera{5}}titanijuma, tako da se sloj polimera lakše odvaja od polirane površine. Polirana površina će također imati otprilike 60-80% smanjenje stvarne površine po projektiranoj površini u poređenju sa mljevenom površinom, čime se smanjuje ukupan broj potencijalnih mjesta prianjanja.

Kvantifikacija inhibicije stope onečišćenja izazvane poliranjem-
Stopa onečišćenja se obično definira kao brzina porasta toplinskog otpora po jedinici vremena (m2.K/kW po satu) ili brzina pada koeficijenta prijenosa topline kao funkcija vremena. Polietilen je na temperaturi od 200 stepeni i teče kroz titanijumski grejač brzinom od 0,5 m/s.

Završna obrada Ra (µm) Početna stopa obraštanja (m2.K/kW po danu) Vrijeme do 20% gubitka prijenosa topline (d) Potrebna učestalost čišćenja Relativna stopa onečišćenja
Završna obrada glodala (kao što je nacrtano) 1.2-1.5 0.12 5-7 Sedmično 3.0x
Mehanički polirani (kaiš) 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 sedmice 1,3× Elektropolirano 0,1–0.2 0.04 20–25 1 mjesec 1,0× (osnovno)
Superpolirano (hemijski-mehanički) < 0.05 0.03 30-350.8× svakih 4-6 sedmica
Polirana površina (Ra 0,3-0,5 µm) smanjuje stopu prljanja za oko 60% u poređenju sa završnom obradom mlinom, tj. proizvodni ciklusi između ciklusa čišćenja su 2,5-3 puta duži. Za kontinuirani proces polimera, povećanje intervala čišćenja sa sedmičnog na dva tjedna ili mjesečno može dramatično smanjiti vrijeme zastoja i troškove rada.

Vodič zasnovan na scenariju{0}}za određivanje završne obrade titanijumske površine u polimernom servisu
Vrsta polimera i temperatura obrade Sklonost adheziji Preporučena obrada površine Metode čišćenja Kompatibilnost sa završnom obradom mljevenja u odnosu na očekivano smanjenje onečišćenja
Polietilen (ne-polarni) 180–220 stepeni Nisko do umjereno Mehanički polirano (Ra 0,4-0,6 µm) Redukcija 2-3×Mehaničko struganje je OK (polosko se polako razgrađuje)
Polipropilen (ne-polarni) 200-250Â stepeni Nizak do umjeren Mehanički poliran (Ra 0,3–0,5 µm) 2–3 puta redukcija. Poželjno je zadržati poliranje hemijskim čišćenjem.
PET (polarni, higroskopski), 260–280 stepeni Umereno do umereno Elektropolirano (Ra < 0,2 µm) 3–4× redukcija Potrebno hemijsko čišćenje. Elektropolis uništen mehaničkim čišćenjem.
Najlon (polarna, visoka vodonična veza) 240-270 o C Visoko elektropoliran + premaz za oslobađanje (PTFE ili Ni-PTFE) 4-6× redukcija Samo hemijsko čišćenje. Premaz za otpuštanje dodatno minimizira prianjanje.
Degradacija PVC (podložan degradaciji) 170-200 stepeni Umjereno (iako se proizvodi razgradnje prianjaju) Mehanički poliran (Ra 0,4 do 0,6 µm) 2-3× smanjenje Bez obzira na poliranje. Potrebno je često čišćenje kako bi se izbjeglo nakupljanje produkata razgradnje.
Fluoropolimer (PTFE, PFA) 300-350 CVrlo nizak (samoopuštajući) Završna obrada glodanja prihvatljiva Poliranje nije značajna korist Troškovi poliranja nisu opravdani. Titanijum i PTFE se ne vezuju.
Inženjering izvan poliranja: druge strategije za smanjenje prljanja
Kada je polimerno obraštanje još uvijek problematično s poliranom površinom, različita komplementarna rješenja dodatno minimiziraju prianjanje. Premaz za trajno oslobađanje - bezelektronikalnog nikla sa ko-deponiranim PTFE česticama (Ni-PTFE) – stvara sloj niske površinske energije (oko 20 dina/cm u odnosu na 50-60 dina/cm kod titana). Ni-PTFE površina se ne vlaži rastopljenim polimerom i bilo koji polimer koji dođe u kontakt sa površinom se lako oslobađa. Vijek trajanja premaza u topljenju polimera prije izgaranja PTFE je 1-3 godine. Druga tehnika je optimizacija geometrije grijača. Glatka, kontinuirana cijev bez pukotina, zavara ili oštrih prijelaza minimizira mjesta stagnacije polimera gdje počinje zarastanje. Treća tehnika je regulacija temperature. Rad grijača na minimalnoj temperaturi potrebnoj za protok polimera smanjuje stopu termičke degradacije. Termička degradacija proizvodi ljepljive nusproizvode koji pogoršavaju zarastanje.

Zaključak: Polirani titanijum smanjuje zarastanje polimera za 3 puta
U servisu topljenja polimera, polirana površina grijača od titanijuma (Ra < 0,4 µm) smanjuje stope onečišćenja za faktor od približno 3 u poređenju sa mljevenom{2}}finiširanom površinom (Ra 1,0–1,5 µm). Smanjenje se pripisuje smanjenoj površini za adheziju, uklanjanju mehaničkih spojnih mjesta i smanjenom poremećaju graničnog sloja. Za polietilen i polipropilen, mehaničko poliranje do Ra 0,3–0,5 µm povećava intervale čišćenja sa sedmičnog na dva-tjedno ili mjesečno. Elektropoliranje polarnih polimera kao što su PET i najlon do 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.