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结晶聚合物的冷却技巧

挤出技术

如果稍微冷却好,大量冷却会更好吗?

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如果稍微冷却好,则可以认为大量冷却会更好。但是那’对于从一侧冷却的结晶聚合物制成的重壁挤出产品,并非总是如此。这将是管道,许多片材产品,吹塑零件和空心型材的典型特征。

结晶聚合物在从熔融态冷却时具有高收缩率。几乎所有熔融的聚合物都具有分子取向缺乏的完全无定形的结构。但是,结晶聚合物在冷却时会形成部分结晶的结构,这是它们的自然或松弛状态。结晶导致聚合物随着晶体结构的形成而增加其密度。分子形成比无定形结构更有序和更紧密堆积的结构。例如,HDPE的熔融密度约为49 lb / ft³ to 59 lb/ft³当它从熔体冷却到半结晶自然状态时。那’密度增加20%或总收缩率增加20%。其他结晶聚合物包括LDPE,LLDPE,PP,尼龙66,PET,PLA和PTFE。

在聚合物的熔点和玻璃化转变温度之间的中间温度下,结晶非常迅速地进行。当温度降低到最高温度以下时,结晶速率迅速降低,因为分子的运动自由度降低了,从而达到了其松弛状态。在大多数过程中,60%到80%的结晶发生在加工的冷却阶段,而多达90%的结晶发生在加工的一周内。根据温度的不同,剩下的结晶过程可能需要数月才能完成。但是,结晶一直持续到获得稳定的晶体结构为止。

为什么这很重要?非晶结构可以暂时“frozen in”快速冷却。但是由于聚合物是不良的热导体,因此可以冷却一个表面,而挤出产品的相反表面即使离开生产线也可以保持高温。这在一侧上导致很大程度上是非晶态的结构,在另一侧上导致部分结晶的结构。由于结晶部分将比非晶部分具有更高的密度和更大的收缩率,因此当一侧收缩得比另一侧更大时,在部件内会产生大量的内部应力。

在挤出的板材中,一侧的快速冷却会导致翘曲。在管道中,这种作用会在壁上引起高应力,从而降低其物理性能,特别是抗冲击和抗应力开裂性。在吹塑制品中,这将导致壁变薄以及较薄和较厚部分之间的应力不平衡。这对耐应力开裂和掉落冲击具有负面影响。在复杂的轮廓中,它将导致边缘翘曲,甚至导致凹陷。

控制结晶或收缩以及所产生的应力取决于对整个零件的冷却速率的控制。这可以通过降低整体冷却速率或中断冷却来实现,以便使挤出部件的外表面冷却得更慢,并使热量从另一侧扩散到冷却表面。由于它’对于挤出零件来说,通常需要快速冻结其外部尺寸以符合特定形状,通常需要足够的初始冷却来设定形状。随着持续的快速冷却,零件内部可能会产生内应力。

您怎么知道您是否过度冷却?一种简单快捷的方法是切出一些小的试样状试样,然后在约200至250 F的烤箱中加热几分钟,然后冷却并测量冷却后的表面相对于相反表面的收缩率。确切的加热条件和时间将随试样的聚合物和厚度而变化。对于在烤箱加热之前和之后冷却不均匀的扁平样品,其收缩率将类似于随附的插图。

弯曲的样品可以用胶带测量。与完全退火的对照样品相比,可以通过变形量评估难以测量的复杂表面。
不应将这些测量结果与拉伸或拉伸后拉伸引起的方向混淆。由于压延和模具成型,几乎所有的重壁挤出零件的纵向收缩率都比横向收缩率大。要单独评估冷却收缩率,仅应比较相对表面尺寸的差异,而不是零件的整体收缩率。

冷却不平衡会导致多种类型的零件故障。例如,随着非晶层向其稳定的结晶结构发展,挤出后裂纹会发生,从而使其承受巨大的应力。在严重的冷却失衡的情况下,由于混合不良,这些故障甚至看起来像是层分离,并被误诊为叠片。

如果您在低应力水平下遇到零件故障,则原因可能很简单,如冷却太快。当仅从一侧冷却时,这尤其普遍。要进行测试,只需收缩一些试样,如果表面变化很大,请降低冷却液温度或允许冷却中断以使零件退火。

关于作者:Frankland

吉姆·弗兰克兰德(Jim Frankland)是一位机械工程师,从事各种类型的挤出加工已有40多年的历史。他现在是Frankland Plastics Consulting,LLC的总裁。联系 jim.frankland@comcast.net 或(724)651-9196。

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