Zakaj polirana površina grelnika iz titana zmanjša stopnje obraščanja za faktor 3 v primerjavi z rezkano-končno površino v polimernih talinah?

Če ste procesni inženir in segrevate taline polimera, kot je polietilen, polipropilen ali PET, se staljeni polimer prilepi na površino grelnika in tvori plast umazanije, ki izolira grelec, zavira prenos toplote in povzroči lokalno pregrevanje. Polirana površina iz titana (Ra < 0,4 µm) zmanjša stopnje umazanije za približno 3-krat v primerjavi s tipično bru-obdelano površino (Ra 1,0–1,5 µm) pri enaki uporabi polimera. Zmanjšanje je posledica dveh mehanizmov, manjše efektivne površine za oprijem in manjšega mehanskega zaklepanja. Polirana površina ima manj majhnih prostorov za oprijem staljenega polimera, bolj gladka topografija pa omogoča, da polimer teče mimo grelnika z majhnimi motnjami v mejni plasti. To znanje omogoča inženirju, da določi pravo kakovost površine za polimere pri ogrevanju in uravnoteži stroške poliranja z dolgimi proizvodnimi serijami med cikli čiščenja.

Adhezija polimernih talin na titanove površine
Adhezijo med površino titanovega grelnika in staljenim polimerom povzročajo van der Waalsove sile, vodikove vezi (če so prisotne polarne skupine) in mehansko prepletanje. Mehansko sidranje je zagotovljeno z mikroskopskimi vrhovi in ​​vdolbinami (običajno globokimi 1–5 µm) na obdelani titanovi-površini. Ta korita so napolnjena s tekočim staljenim polimerom, ki se ob ohlajanju strdi in je pritrjen na mestu. Za odstranitev umazanije je potrebno ponovno -taljenje polimera (kar v neprekinjenem procesu morda ni praktično) ali mehansko strganje, ki poškoduje površino titana in poveča hrapavost za nadaljnje cikle.

Žlebovi so plitvejši (pogosto < 0,4 µm globoko) in tanjši na površini iz poliranega titana. Sile površinske napetosti so večje od tlaka, ki sili polimer v tako majhne elemente, zato staljeni polimer ne teče v te mikro-doline. Kohezijska trdnost polimer-polimera je nižja od adhezivne trdnosti polimer-titana, zato je plast polimera lažje ločiti od polirane površine. Polirana površina bo imela tudi približno 60-80-odstotno zmanjšanje dejanske površine na predvideno površino v primerjavi z rezkano obdelano površino, s čimer se bo zmanjšalo skupno število možnih adhezijskih mest.

Kvantifikacija zaviranja stopnje obraščanja- zaradi poliranja
Stopnja umazanije je običajno definirana kot stopnja naraščanja toplotnega upora na časovno enoto (m2.K/kW na uro) ali stopnja padanja koeficienta toplotnega prehoda kot funkcije časa. Polietilen ima temperaturo 200 stopinj in teče čez titanov grelec s hitrostjo 0,5 m/s.

Površinska obdelava Ra (µm) Začetna stopnja umazanije (m2.K/kW na dan) Čas do 20 % izgube pri prenosu toplote (d) Potrebna frekvenca čiščenja Relativna stopnja umazanije
Zaključek rezkanja (kot je narisano) 1.2-1.5 0.12 5-7 Tedensko 3,0x
Mehansko polirano (pas) 0,6–0.8 0.07 10–14 Bi-tedensko 1,8×
Mehansko polirano (fino) 0,3–0.5 0.05 15–20 2–3 tedne 1,3× Elektropolirano 0,1–0.2 0.04 20–25 1 mesec 1,0× (izhodišče)
Superpolirano (kemično-mehansko) < 0.05 0.03 30-350.8× vsakih 4-6 tednov
Polirana površina (Ra 0,3-0,5 µm) zmanjša stopnjo umazanije za približno 60 % v primerjavi s končno obdelavo mlina, kar pomeni, da so proizvodni postopki med cikli čiščenja 2,5-3-krat daljši. Pri neprekinjenem polimernem procesu lahko povečanje intervala čiščenja s tedenskega na dvotedensko ali mesečno dramatično zmanjša čas izpada in stroške dela.

Vodnik,-ki temelji na scenariju za določanje površinske obdelave titana pri uporabi polimerov
Vrsta polimera in temperatura obdelave Nagnjenost k oprijemu Priporočena površinska obdelava Metode čiščenja Združljivost s končno obdelavo v primerjavi s pričakovanim zmanjšanjem obraščanja
Polietilen (ne-polaren) 180–220 stopinj Nizko do zmerno Mehansko poliran (Ra 0,4–0,6 µm) Redukcija 2–3 × Mehansko strganje je OK (Policija se počasi razgradi)
Polipropilen (ne-polaren) 200–250Â stopinj Nizka do zmerna Mehansko poliran (Ra 0,3–0,5 µm) 2–3-kratno zmanjšanje. Priporočljivo je, da poliranje ohranite s kemičnim čiščenjem.
PET (polaren, higroskopski), 260–280 stopinj Zmerno do zmerno Elektropolirano (Ra < 0,2 µm) 3–4× redukcija Potrebno kemično čiščenje. Elektropoliranje uničeno z mehanskim čiščenjem.
Najlon (polaren, z visoko vodikovo vezjo) 240-270 o C Visoko elektropoliran + prevleka za ločevanje (PTFE ali Ni-PTFE) 4-6× redukcija Samo kemično čiščenje. Ločljivi premaz dodatno zmanjša oprijem.
Razgradnja PVC (občutljiv na razgradnjo) 170-200 stopinj Zmerno (čeprav se produkti razgradnje oprijemajo) Mehansko poliran (Ra 0,4 do 0,6 µm) 2-3× zmanjšanje Ne glede na poliranje. Potrebno je pogosto čiščenje, da se prepreči kopičenje produktov razgradnje.
Fluoropolimer (PTFE, PFA) 300-350 CZelo nizko (samosproščanje) Končna obdelava rezkanja sprejemljiva Poliranje ni bistvena prednost Stroški poliranja niso upravičeni. Titan in PTFE se ne vežeta.
Inženiring poleg poliranja: druge strategije za zmanjšanje obraščanja
Kadar je polimerno obraščanje še vedno problematično pri polirani površini, različne brezplačne rešitve dodatno zmanjšajo oprijem. Prevleka s trajnim sproščanjem - brezelektričnega niklja s ko-deponiranimi PTFE delci (Ni-PTFE) – ustvarja plast z nizko površinsko energijo (približno 20 dynov/cm v primerjavi s 50–60 dyni/cm pri titanu). Staljeni polimer ne zmoči površine Ni-PTFE in vsak polimer, ki pride v stik s površino, se zlahka sprosti. Življenjska doba prevleke v talilni uporabi polimera pred izgorevanjem PTFE je 1–3 leta. Druga tehnika je optimizacija geometrije grelnika. Gladka, neprekinjena cev brez razpok, zvarov ali ostrih prehodov zmanjša mesta stagnacije polimera, kjer se začne obraščanje. Tretja tehnika je uravnavanje temperature. Delovanje grelnika pri minimalni temperaturi, potrebni za pretok polimera, zmanjša stopnjo toplotne razgradnje. Toplotna razgradnja proizvaja lepljive stranske produkte, ki poslabšajo obraščanje.

Zaključek: polirani titan zmanjša umazanijo polimera za 3-krat
Pri uporabi s taljenjem polimera polirana površina grelnika iz titana (Ra < 0,4 µm) zmanjša stopnje umazanije za faktor približno 3 v primerjavi z bru-obdelano površino (Ra 1,0–1,5 µm). Zmanjšanje se pripisuje zmanjšani površini za oprijem, odstranitvi mehanskih prepletenih mest in zmanjšani motnji mejne plasti. Za polietilen in polipropilen mehansko poliranje na Ra 0,3–0,5 µm podaljša intervale čiščenja s tedenskih na dvo-tedenske ali mesečne. Elektropoliranje polarnih polimerov, kot sta PET in 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.