Εισαγωγή
Τα θερμοπλαστικά πολυμερή φύλλα χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς λόγω των πλεονεκτημάτων τους, όπως η οικονομική αποδοτικότητα, το μικρό βάρος, η ευελιξία και οι μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, τη συσκευασία, τις ετικέτες, τα θερμοσυρρικνούμενα περιβλήματα καλωδίων, τις επιστρώσεις και τα φύλλα διαχωρισμού πυκνωτών και μπαταριών.
Σε περιπτώσεις όπου οι ιδιότητες των μεμβρανών μετά την εξώθηση δεν επαρκούν για την εφαρμογή, οι μεμβράνες μπορούν να τεντωθούν για να βελτιώσουν τις ιδιότητές τους. Τα οφέλη αυτής της επεξεργασίας κυμαίνονται από τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων - με την αύξηση του ορίου διαρροής ή του μέτρου ελαστικότητας Young - έως τη βελτίωση των οπτικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τη διαφάνεια των φύλλων, τη μείωση της διαπερατότητας από την υγρασία ή την αύξηση της τάσης διάσπασης σε ηλεκτρικές εφαρμογές.
Η παραγωγή των εν λόγω φύλλων μπορεί να ταξινομηθεί σε εξώθηση με φυσητό ή χυτό φύλλο. Επιπλέον, ανάλογα με την επεξεργασία που επιδρά στο εξηλασμένο φύλλο, γίνεται διάκριση μεταξύ διαξονικά ή μονοαξονικά προσανατολισμένων (BO) πολυμερών. Για την τελευταία περίπτωση, αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε με διαδοχική είτε με ταυτόχρονη τάνυση των φύλλων [1]. Η επακόλουθη διαδικασία ή οι επακόλουθες διαδικασίες τάνυσης λαμβάνουν χώρα πάνω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, αλλά πολύ κάτω από τη θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς. Η επιμήκυνση κατά τη διεύθυνση μηχανής (MD), δηλαδή κατά μήκος της διεύθυνσης κίνησης των φύλλων, επιτυγχάνεται με την έλξη του φύλλου μεταξύ κυλίνδρων που περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Με τον τρόπο αυτό, το δεύτερο σετ κυλίνδρων περιστρέφεται ταχύτερα από το πρώτο σετ [1]. Στην περίπτωση της διαδοχικής έλξης, το φύλλο μεταφέρεται στη συνέχεια σε φούρνο, όπου το φύλλο τεντώνεται σε ένα πλαίσιο τεντώματος. Εδώ, σφιγκτήρες πιάνουν την άκρη του φύλλου και τραβούν το φύλλο απομακρυνόμενοι σταδιακά [1].
Αυτές οι διαδικασίες τάνυσης μπορούν να οδηγήσουν σε πάχη φύλλων αλουμινίου στην περιοχή των χαμηλότερων μm. Οι διαδικασίες αυτές προκαλούν έναν προτιμησιακό μοριακό προσανατολισμό των πολυμερικών αλυσίδων στο φύλλο. Αυτός ο προτιμησιακός προσανατολισμός είναι που εισάγει μια ορισμένη τάση συρρίκνωσης των φύλλων κατά τη θέρμανση. Αυτό μπορεί να γίνει σημαντικό όταν τα φύλλα υποβάλλονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε απροσδόκητη συμπεριφορά του προϊόντος ή, στη χειρότερη περίπτωση, σε αστοχίες του προϊόντος κατά τη χρήση.
Θερμική συρρίκνωση και δυνάμεις αποκατάστασης των τεντωμένωνΠολυμερών μεμβρανών
Εάν τα τεντωμένα φύλλα με προτιμώμενο προσανατολισμό δεν περιορίζονται από οποιεσδήποτε χωρικές οριακές συνθήκες, θα συρρικνωθούν κατά τη θέρμανση πάνω από ένα ορισμένο όριο. Η διαδικασία αυτή καλύπτεται από διεθνή πρότυπα όπως τα ASTM D1204 και ASTM D2732. Ωστόσο, τα φύλλα χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με άλλα υλικά. Στην περίπτωση αυτή, το φύλλο περιορίζεται από τη μία τουλάχιστον πλευρά και εμποδίζεται στη συρρίκνωσή του. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη της δύναμης επαναφοράς ή μάλλον οι τάσεις στο εσωτερικό του πολυμερούς φύλλου παρουσιάζουν ενδιαφέρον.
Με τη βοήθεια του NETZSCH DMA 303 Eplexor®, η συμπεριφορά αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί για ένα πρόγραμμα θερμοκρασίας/χρόνου που έχει επιλεγεί κατά παραγγελία, εκτελώντας μετρήσεις υπό σταθερή παραμόρφωση.
Πειραματικό
Το διαξονικά προσανατολισμένο πολυπροπυλένιο (BO-PP) διερευνήθηκε με τη χαλύβδινη θήκη δειγμάτων τάσης (που φαίνεται στο σχήμα 1) του NETZSCH DMA 303 Eplexor®. Το ονομαστικό πάχος του δείγματος ήταν 6 μm. Τα φύλλα κόπηκαν σε πλάτος 10 mm. Το μήκος του δείγματος μετρήθηκε με το αυτόματο σύστημα ανίχνευσης μήκους δείγματος του DMA 303 Eplexor®.
Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις δειγμάτων που κόπηκαν κατά μήκος της MD και της εγκάρσιας διεύθυνσης (TD, 90° σε σχέση με την MD). Πριν από τις μετρήσεις, το φύλλο υποβλήθηκε σε στατική δύναμη 0,01 N για να εξασφαλιστεί ότι το δείγμα δεν είχε εξογκωθεί. Με την έναρξη της μέτρησης, η παραμόρφωση του δείγματος ρυθμίστηκε στα 0 mm και η εφαρμοζόμενη στατική δύναμη αφαιρέθηκε. Στη συνέχεια, τα δείγματα θερμάνθηκαν από μια αρχική θερμοκρασία 30°C με ρυθμό θέρμανσης στόχου 20 K/min στις επιθυμητές ισοθερμοκρασίες 60°C, 90°C και 110°C. Το ισόθερμο τμήμα εκτελέστηκε ως Relaxation Sweep. Κατά τη διάρκεια και των δύο τμημάτων, καταγράφηκαν η δύναμη και η τάση του δείγματος αντίστοιχα ως συνάρτηση του χρόνου.
Κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, η θερμική διαστολή του υλικού δεν μπορεί να αμεληθεί σε αυτού του είδους τις μετρήσεις. Έτσι, όπως φαίνεται εδώ, τα πειράματα πρέπει να εκτελούνται ισοθερμικά για να αποφεύγεται τυχόν υπέρθεση της θερμικής διαστολής και των δυνάμεων επαναφοράς που εμφανίζονται κατά τη συνεχή θέρμανση.
Μια επισκόπηση των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη σειρά μετρήσεων συνοψίζεται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Επισκόπηση των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν για αυτή τη σειρά μετρήσεων: Οι παράμετροι, οι οποίες προσαρμόστηκαν στο πρόγραμμα μέτρησης για τα δύο τμήματα (σάρωση θερμοκρασίας και μέτρηση χαλάρωσης/κλιμάκωσης) περιγράφονται ξεχωριστά.
| Παράμετρος | Τιμή |
| Τρόπος μέτρησης | Τάση |
| Διαστάσεις δείγματος | πάχος 6 μm × πλάτος 10 mm × μήκος ≈21 mm |
| Θερμοκρασία Sweep | |
| Ρυθμός θέρμανσης | 20 K/min έως τη θερμοκρασία-στόχο |
| Δύναμη επαφής | 0.010 N ± 0,005 N |
| Τύπος στατικού φορτίου | Παραμόρφωση |
| Τιμή ρύθμισης | 0 mm (όριο 40 N) |
| Τύπος δυναμικού φορτίου | Δύναμη |
| Τιμή στόχος | 0 N (όριο 100 %) @ 1 Hz |
| Μέτρηση χαλάρωσης/επαναφοράς | |
| Θερμοκρασία | Ισόθερμη στους 60°C, 90°C ή 110°C |
| Τύπος στατικού φορτίου | Παραμόρφωση |
| Τιμή στόχος | 0 mm (όριο 40 N) |
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο σχήμα 2, παρουσιάζονται οι υπολογισμένες τάσεις των δειγμάτων MD ως συνάρτηση του χρόνου για τις διαφορετικές ισοθερμοκρασίες των 60°C (μαύρη καμπύλη), 90°C (κόκκινη καμπύλη) και 110°C (μπλε καμπύλη). Μετά από ορισμένο χρόνο επώασης, η αύξηση της τάσης φαίνεται να προχωρά με εκθετικό τρόπο μέχρι να φτάσει σε μια τιμή πλατώ για τις μετρήσεις στους 90°C και 110°C. Η συσσώρευση των τάσεων με τα φύλλα εμφανίζεται ταχύτερα για τις υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε θερμοκρασίες 60°C ή χαμηλότερες, δεν ανιχνεύεται μετρήσιμη αύξηση των τάσεων. Για τη διάρκεια των 2 ωρών, δεν παρατηρείται σημαντική αύξηση των τάσεων.
Στην περίπτωση των φύλλων TD (που παρουσιάζονται στο σχήμα 3), δεν παρατηρείται σημαντική εκθετική συμπεριφορά στην καμπύλη τάσεων για καμία από τις τρεις διαφορετικές ισοθερμοκρασίες. Για τη μέτρηση στους 110°C, η μικρή αύξηση θα μπορούσε να υποδηλώνει μια συσσώρευση της τάσης small. Ωστόσο, η αύξηση της τάσης της είναι small σε σύγκριση με τις μετρήσεις των φύλλων MD στην ίδια θερμοκρασία.
Συμπέρασμα
Η τάνυση του φύλλου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής εισάγει προτιμησιακό προσανατολισμό των πολυμερικών αλυσίδων κατά μήκος των κατευθύνσεων σχεδίασης. Ενώ αυτό αποδίδει αρκετές βελτιωμένες ιδιότητες στα φύλλα, μπορεί να οδηγήσει σε περιορισμούς στη χρηστικότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Δεδομένου ότι η πιο σταθερή διαμόρφωση των πολυμερικών αλυσίδων είναι μια ισοτροπική κατανομή προσανατολισμών (μεγιστοποιώντας έτσι την εντροπία και μειώνοντας την ελεύθερη ενέργεια Gibbs του συστήματος), οι πολυμερικές αλυσίδες θα αρχίσουν να επιστρέφουν προς αυτή την κατάσταση κατά την αναθέρμανση.
Σε σύγκριση με τα φύλλα TD, τα φύλλα MD εμφανίζουν τάσεις έως και 1,4 MPa κατά τη διάρκεια των μετρήσεων στους 110°C. Για τα φύλλα TD δεν ανιχνεύθηκε σημαντική δύναμη επαναφοράς.
Αυτό συνάδει με την έλλειψη έλξης στο TD κατά την κατασκευή των φύλλων, οπότε δεν ανιχνεύονται τάσεις σε αυτόν τον προσανατολισμό.