Въведение
Термопластичните полимерни фолиа намират широко приложение в различни сектори на промишлеността поради предимствата си, които се изразяват в икономичност, ниско тегло, гъвкавост и уникални физични и химични свойства. Приложенията включват, но не се ограничават до опаковки, етикети, термосвиваеми кабелни обвивки, покрития и фолиа за разделители на кондензатори и батерии.
В случаите, когато свойствата на фолиото след екструдиране не са достатъчни за приложението, фолиото може да бъде разтеглено, за да се подобрят свойствата му. Ползите от такава обработка варират от подобряване на механичните свойства - чрез увеличаване на границата на провлачане или модула на Юнг, до подобряване на оптичните свойства, свързани с прозрачността на фолиото, намаляване на влагопропускливостта или увеличаване на пробивното напрежение в електрическите приложения.
Производството на тези фолиа може да се класифицира като екструдиране на издути или излети фолиа. Освен това, в зависимост от обработката, която се оказва върху екструдираното фолио, се различават двуосно или едноосно ориентирани (БО) полимери. Във втория случай това може да се постигне чрез последователно или едновременно разтягане на фолиото [1]. Последващият(те) процес(и) на разтягане се извършва(т) над температурата на встъкляване, но далеч под температурата на топене на полимера. Удължаването по посока на машината (MD), т.е. по посока на движението на фолиото, се постига чрез изтегляне на фолиото между ролки, въртящи се с различни скорости. При това вторият комплект ролки се върти по-бързо от първия [1]. В случай на последователно изтегляне фолиото впоследствие се прехвърля в пещ, където фолиото се опъва върху тендер рамка. Тук скобите хващат ръба на фолиото и изтеглят фолиото, като го отдалечават постепенно [1].
Тези процеси на разтягане могат да доведат до дебелини на фолиото в областта на по-малките μm. Тези процеси предизвикват преференциална молекулярна ориентация на полимерните вериги във фолиото. Именно тази преференциална ориентация води до известна тенденция към свиване на фолиото по време на нагряване. Това може да стане важно, когато фолиото се подлага на по-високи температури, което може да доведе до неочаквано поведение на продукта или, в най-лошия случай, до повреди на продукта по време на експлоатация.
Топлинно свиване и възстановяващи сили на разтеглениПолимерни фолиа
Ако разтеглените фолиа с преференциална ориентация не са ограничени от никакви пространствени гранични условия, те ще се свият при нагряване над определен праг. Тази процедура е обхваната от международни стандарти като ASTM D1204 и ASTM D2732. Въпреки това фолиата често се използват в комбинация с други материали. В този случай фолиото е стеснено поне от едната си страна и е възпрепятствано да се свие. Поради това развитието на възстановяващата сила или по-скоро напреженията в полимерното фолио представляват интерес.
С помощта на NETZSCH DMA 303 Eplexor®, това поведение може да бъде характеризирано за избрана от потребителя програма за температура/време чрез извършване на измервания при постоянна деформация.
Експериментален
Биаксиално ориентираният полипропилен (BO-PP) беше изследван със стоманения държач за проби на опън (показан на фигура 1) на NETZSCH DMA 303 Eplexor®. Номиналната дебелина на пробата е 6 μm. Фолиото беше изрязано до ширина 10 mm. Дължината на образеца беше измерена с автоматичната система за определяне на дължината на образеца на DMA 303 Eplexor®.
Бяха извършени измервания на образци, изрязани по протежение на MD и в напречна посока (TD, 90° спрямо MD). Преди измерванията фолиото беше подложено на статична сила от 0,01 N, за да се гарантира, че образецът не е изпъкнал. При започване на измерването деформацията на образеца беше зададена на 0 mm и приложената статична сила беше премахната. Впоследствие образците се нагряват от начална температура 30 °C при целева скорост на нагряване 20 K/min до желаните изотермични температури 60 °C, 90 °C и 110 °C. Изотермичният участък е изпълнен като релаксиращ цикъл. По време на двата сегмента силата и напрежението на образеца се записват съответно като функция на времето.
По време на нагряването термичното разширение на материала не може да бъде пренебрегнато при този вид измервания. Следователно, както е показано тук, експериментите трябва да се провеждат изотермично, за да се избегне наслагването на топлинното разширение и възстановяващите сили, които възникват по време на продължително нагряване.
Прегледът на параметрите, използвани в тази серия от измервания, е обобщен в таблица 1.
Таблица 1: Преглед на параметрите, използвани за тази серия от измервания: Параметрите, настроени в програмата за измерване за двата сегмента (измерване на температурата и измерване на релаксацията/скрипването), са описани отделно.
| Параметър | Стойност |
| Режим на измерване | Напрежение |
| Размери на образеца | 6 μm дебелина × 10 mm ширина × ≈21 mm дължина |
| Температурен цикъл | |
| Скорост на нагряване | 20 K/min до целевата температура |
| Сила на контакт | 0.010 N ± 0,005 N |
| Тип статично натоварване | Деформация |
| Зададена стойност | 0 mm (граница 40 N) |
| Тип динамично натоварване | Сила |
| Целева стойност | 0 N (100 % граница) @ 1 Hz |
| Измерване на релаксация/ретардация | |
| Температура | Изотерма при 60°C, 90°C или 110°C |
| Тип статично натоварване | Деформация |
| Целева стойност | 0 mm (граница 40 N) |
Резултати от измерването
На фигура 2 са показани изчислените напрежения на MD образците като функция на времето за различните изотермични температури от 60°C (черна крива), 90°C (червена крива) и 110°C (синя крива). След определено време на инкубация нарастването на напрежението изглежда протича по експоненциален начин, докато достигне плато за измерванията при 90°C и 110°C. Нарастването на напреженията при фолиото става по-бързо при по-високи температури. При температури от 60°C или по-ниски не се открива измеримо нарастване на напреженията. При продължителност от 2 h не се наблюдава значително увеличение на напреженията.
В случая с TD фолиата (показани на фигура 3) не се наблюдава значително експоненциално поведение в кривата на напреженията за нито една от трите различни изотермични температури. За измерването при 110 °C лекото увеличение може да предполага натрупване на напрежението на small. Въпреки това нарастването на напрежението в него е small в сравнение с измерванията на MD фолиата при същата температура.
Заключение
Разтягането на фолиото по време на производствения процес води до преференциална ориентация на полимерните вериги по направленията на изтегляне. Въпреки че това води до редица подобрени свойства на фолиото, то може да доведе до ограничения в използваемостта при по-високи температури. Тъй като най-стабилната конфигурация на полимерните вериги е изотропно разпределение на ориентациите (като по този начин се максимизира ентропията и се намалява свободната енергия на Гибс на системата), полимерните вериги ще започнат да се връщат към това състояние при повторно загряване.
В сравнение с TD фолиата, MD фолиата показват напрежения до 1,4 MPa по време на измерванията при 110°C. Не е открита значителна възстановяваща сила за TD фолиата.
Това е в съответствие с липсата на изтегляне в TD по време на производството на фолиата, поради което не са открити напрежения в тази ориентация.