Biaxialt orienterede polymerfilm: Hvorfor genoprettende kræfter er vigtige

Introduktion

Termoplastiske polymerfolier anvendes i vid udstrækning i forskellige industrisektorer på grund af deres fordele i form af omkostningseffektivitet, lav vægt, fleksibilitet og unikke fysiske og kemiske egenskaber. Anvendelserne omfatter, men er ikke begrænset til, emballage, etiketter, varmekrympbare kabelkapper, belægninger og kondensator- og batteriseparatorfolier.

I tilfælde, hvor foliernes egenskaber efter ekstrudering ikke er tilstrækkelige til anvendelsen, kan folierne strækkes for at forbedre deres egenskaber. Fordelene ved en sådan behandling spænder fra forbedring af mekaniske egenskaber - ved at øge flydespændingen eller Youngs modul - til forbedring af optiske egenskaber i forbindelse med foliernes gennemsigtighed, sænkning af fugtgennemtrængeligheden eller forøgelse af gennembrudsspændingen i elektriske anvendelser.

Produktionen af disse folier kan klassificeres i blæst eller støbt folieekstrudering. Afhængigt af behandlingen af den ekstruderede folie kan man desuden skelne mellem biaxialt eller uniaxialt orienterede (BO) polymerer. I sidstnævnte tilfælde kan dette opnås ved enten sekventiel eller samtidig strækning af folierne [1]. Den eller de efterfølgende strækprocesser foregår over glasovergangstemperaturen, men langt under polymerens Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur. Forlængelse i maskinretningen (MD), dvs. langs foliernes bevægelsesretning, opnås ved at trække folien mellem ruller, der roterer med forskellige hastigheder. Herved drejer det andet sæt ruller hurtigere end det første sæt [1]. I tilfælde af sekventiel trækning overføres folien efterfølgende til en ovn, hvor folien strækkes på en spændingsramme. Her griber klemmer fat i kanten af folien og trækker folien ved at bevæge sig gradvist fra hinanden [1].

Disse strækprocesser kan resultere i folietykkelser i den nedre μm-region. Disse processer fremkalder en præferentiel molekylær orientering af polymerkæderne i folien. Det er denne præferentielle orientering, der medfører en vis tendens til krympning af folierne under opvarmning. Dette kan blive vigtigt, når folierne udsættes for højere temperaturer, hvilket kan føre til uventet opførsel af produktet eller i værste fald til fejl i produktet under brug.

Varmekrympning og gendannelse af kræfter i straktePolymerfolier

Hvis strakte folier med en foretrukken orientering ikke er begrænset af nogen rumlige grænsebetingelser, vil de skrumpe ved opvarmning over en vis tærskel. Denne procedure er dækket af internationale standarder som ASTM D1204 og ASTM D2732. Folier bruges dog ofte i kombination med andre materialer. I dette tilfælde er folien indsnævret fra mindst én side og forhindret i at trække sig sammen. Derfor er udviklingen af genoprettelseskraften eller rettere sagt spændingerne i polymerfolien af interesse.

Ved hjælp af NETZSCH DMA 303 Eplexor^® kan denne opførsel karakteriseres for et brugerdefineret temperatur-/tidsprogram ved at udføre målinger under konstant deformation.

Eksperimentel

Biaxialt orienteret polypropylen (BO-PP) blev undersøgt med stålspændingsprøveholderen (vist i figur 1) på NETZSCH DMA 303 Eplexor^®. Den nominelle prøvetykkelse var 6 μm. Folierne blev skåret til en bredde på 10 mm. Prøvens længde blev målt med det automatiske system til registrering af prøvelængde på DMA 303 Eplexor^®.

Der blev foretaget målinger af prøver skåret langs MD og den tværgående retning (TD, 90° i forhold til MD). Før målingerne blev folien udsat for en statisk kraft på 0,01 N for at sikre, at prøven ikke var udbulet. Ved målingens start blev prøvens deformation sat til 0 mm, og den påførte statiske kraft blev fjernet. Derefter blev prøverne opvarmet fra en starttemperatur på 30 °C med en målopvarmningshastighed på 20 K/min til de ønskede isotermiske temperaturer på 60 °C, 90 °C og 110 °C. Det isotermiske segment blev udført som Relaxation Sweep. Under begge segmenter blev henholdsvis kraften og spændingen i prøven registreret som en funktion af tiden.

Under opvarmningen kan man ikke se bort fra materialets varmeudvidelse i den slags målinger. Som vist her bør eksperimenterne derfor udføres isotermt for at undgå enhver overlejring af termisk udvidelse og de genoprettende kræfter, der opstår under kontinuerlig opvarmning.

En oversigt over de parametre, der er brugt i denne måleserie, er opsummeret i tabel 1.

Resultater af målinger

I figur 2 vises den beregnede StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning af MD-prøverne som en funktion af tiden for de forskellige isotermiske temperaturer på 60 °C (sort kurve), 90 °C (rød kurve) og 110 °C (blå kurve). Efter en vis inkubationstid ser spændingsopbygningen ud til at forløbe eksponentielt, indtil den når en plateauværdi for målingerne ved 90 °C og 110 °C. Opbygningen af spændinger med folierne sker hurtigere ved højere temperaturer. Ved temperaturer på 60 °C eller lavere kan der ikke registreres nogen målbar stressforøgelse. I løbet af 2 timer observeres der ingen signifikant stressforøgelse.

I tilfældet med TD-folierne (vist i figur 3) kan der ikke observeres nogen signifikant eksponentiel adfærd i spændingskurven for nogen af de tre forskellige isotermiske temperaturer. For målingen ved 110 °C kunne den lille stigning tyde på en small opbygning af spændingen. Spændingsstigningen er dog small sammenlignet med målinger af MD-folierne ved samme temperatur.

Konklusion

Når folien strækkes under fremstillingsprocessen, indføres en præferentiel orientering af polymerkæderne langs trækretningen. Selv om dette giver flere forbedrede egenskaber i folierne, kan det føre til begrænsninger i anvendeligheden ved højere temperaturer. Da den mest stabile konfiguration af polymerkæderne er en isotropisk fordeling af retninger (hvilket maksimerer entropien og sænker systemets frie Gibbs-energi), vil polymerkæderne begynde at vende tilbage til denne tilstand ved genopvarmning.

Sammenlignet med TD-folierne udviser MD-folierne spændinger på op til 1,4 MPa under målingerne ved 110 °C. Der blev ikke registreret nogen væsentlig genoprettende kraft for TD-folierne.

Dette er i overensstemmelse med den manglende trækning i TD under fremstillingen af folierne, og der registreres derfor ingen spændinger i denne retning.