Wprowadzenie
Termoplastyczne folie polimerowe są szeroko stosowane w różnych sektorach przemysłu ze względu na ich zalety związane z opłacalnością, lekkością, elastycznością oraz unikalnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Zastosowania obejmują między innymi opakowania, etykiety, termokurczliwe osłony kabli, powłoki oraz folie separatorów kondensatorów i baterii.
W przypadkach, gdy właściwości folii po wytłaczaniu nie są wystarczające do danego zastosowania, folie mogą być rozciągane w celu poprawy ich właściwości. Korzyści z takiego przetwarzania obejmują poprawę właściwości mechanicznych - poprzez zwiększenie granicy plastyczności lub modułu Younga, poprawę właściwości optycznych związanych z przezroczystością folii, obniżenie przepuszczalności wilgoci lub zwiększenie napięcia przebicia w zastosowaniach elektrycznych.
Produkcję tych folii można podzielić na wytłaczanie z rozdmuchem lub wylewanie. Ponadto, w zależności od sposobu przetwarzania wytłaczanego arkusza, rozróżnia się polimery zorientowane dwuosiowo lub jednoosiowo (BO). W tym drugim przypadku można to osiągnąć poprzez sekwencyjne lub jednoczesne rozciąganie folii [1]. Kolejne procesy rozciągania zachodzą powyżej temperatury zeszklenia, ale znacznie poniżej temperatury topnienia polimeru. Wydłużanie w kierunku maszynowym (MD), tj. wzdłuż kierunku ruchu folii, odbywa się poprzez przeciąganie folii między rolkami obracającymi się z różnymi prędkościami. W ten sposób drugi zestaw rolek obraca się szybciej niż pierwszy zestaw [1]. W przypadku ciągnienia sekwencyjnego, folia jest następnie przenoszona do pieca, gdzie jest rozciągana na ramie tentera. Tutaj zaciski chwytają krawędź folii i rozciągają folię, stopniowo się od siebie oddalając [1].
Te procesy rozciągania mogą skutkować grubością folii w dolnym obszarze μm. Procesy te indukują preferencyjną orientację molekularną łańcuchów polimerowych w folii. To właśnie ta preferencyjna orientacja wprowadza pewną tendencję do kurczenia się folii podczas ogrzewania. Może to stać się ważne, gdy folie są poddawane działaniu wyższych temperatur, co może prowadzić do nieoczekiwanego zachowania produktu lub, w najgorszym przypadku, do awarii produktu podczas użytkowania.
Termokurczliwość i siły przywracające rozciągnięte folie polimeroweFolie polimerowe
Jeśli rozciągnięte folie o preferencyjnej orientacji nie są ograniczone żadnymi przestrzennymi warunkami brzegowymi, będą się kurczyć po podgrzaniu powyżej pewnego progu. Procedura ta jest objęta międzynarodowymi normami, takimi jak ASTM D1204 i ASTM D2732. Folie są jednak często stosowane w połączeniu z innymi materiałami. W takim przypadku folia jest zwężana z co najmniej jednej strony i utrudnione jest jej kurczenie się. Dlatego też interesujący jest rozwój siły przywracającej, a raczej naprężeń w folii polimerowej.
Za pomocą urządzenia NETZSCH DMA 303 Eplexor® można scharakteryzować to zachowanie dla wybranego programu temperatury/czasu, wykonując pomiary przy stałym odkształceniu.
Eksperymentalny
Dwuosiowo zorientowany polipropylen (BO-PP) badano za pomocą stalowego uchwytu do próbek naprężanych (pokazanego na rysunku 1) urządzenia NETZSCH DMA 303 Eplexor®. Nominalna grubość próbki wynosiła 6 μm. Folie zostały przycięte do szerokości 10 mm. Długość próbki została zmierzona za pomocą automatycznego systemu wykrywania długości próbki DMA 303 Eplexor®.
Wykonano pomiary próbek wyciętych wzdłuż MD i w kierunku poprzecznym (TD, 90° względem MD). Przed pomiarami folia została poddana sile statycznej 0,01 N, aby zagwarantować, że próbka nie jest wybrzuszona. Po rozpoczęciu pomiaru odkształcenie próbki zostało ustawione na 0 mm, a przyłożona siła statyczna została usunięta. Następnie próbki były podgrzewane od temperatury początkowej 30°C przy docelowej szybkości podgrzewania 20 K/min do pożądanych temperatur izotermicznych 60°C, 90°C i 110°C. Segment IzotermicznyTesty w kontrolowanej i stałej temperaturze nazywane są izotermicznymi.izotermiczny został wykonany jako Relaxation Sweep. Podczas obu segmentów siła i naprężenie próbki były rejestrowane odpowiednio w funkcji czasu.
Podczas ogrzewania nie można pominąć rozszerzalności cieplnej materiału w tego rodzaju pomiarach. Dlatego, jak pokazano tutaj, eksperymenty powinny być wykonywane izotermicznie, aby uniknąć superpozycji rozszerzalności cieplnej i sił przywracających, które występują podczas ciągłego ogrzewania.
Przegląd parametrów użytych w tej serii pomiarów podsumowano w tabeli 1.
Tabela 1: Przegląd parametrów użytych w tej serii pomiarowej: Parametry ustawione w programie pomiarowym dla dwóch segmentów (przemiatanie temperatury i pomiar relaksacji / pełzania) są wyszczególnione osobno.
| Parametr | Wartość |
| Tryb pomiaru | NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.Napięcie |
| Wymiary próbki | 6 μm grubości × 10 mm szerokości × ≈21 mm długości |
| Przebieg temperatury | |
| Szybkość ogrzewania | 20 K/min do temperatury docelowej |
| Siła nacisku | 0.010 N ± 0,005 N |
| Typ obciążenia statycznego | Odkształcenie |
| Ustawiona wartość | 0 mm (limit 40 N) |
| Typ obciążenia dynamicznego | Siła |
| Wartość docelowa | 0 N (limit 100%) @ 1 Hz |
| Pomiar relaksacji/opóźnienia | |
| Temperatura | Izoterma przy 60°C, 90°C lub 110°C |
| Typ obciążenia statycznego | Odkształcenie |
| Wartość docelowa | 0 mm (wartość graniczna 40 N) |
Wyniki pomiarów
Na rysunku 2 przedstawiono obliczone naprężenia próbek MD w funkcji czasu dla różnych temperatur izotermicznych 60°C (czarna krzywa), 90°C (czerwona krzywa) i 110°C (niebieska krzywa). Po pewnym czasie inkubacji wzrost naprężeń wydaje się przebiegać w sposób wykładniczy, aż do osiągnięcia wartości plateau dla pomiarów w temperaturach 90°C i 110°C. Wzrost naprężeń w foliach następuje szybciej w wyższych temperaturach. W temperaturach 60°C lub niższych nie można wykryć mierzalnego wzrostu naprężeń. Przez 2 godziny nie zaobserwowano znaczącego wzrostu naprężeń.
W przypadku folii TD (pokazanych na rysunku 3) nie można zaobserwować znaczącego wykładniczego zachowania krzywej naprężenia dla żadnej z trzech różnych temperatur izotermicznych. W przypadku pomiaru w temperaturze 110°C niewielki wzrost może sugerować wzrost naprężenia small. Jednak wzrost naprężenia jest small w porównaniu do pomiarów folii MD w tej samej temperaturze.
Wnioski
Rozciąganie folii podczas procesu produkcyjnego wprowadza preferencyjną orientację łańcuchów polimerowych wzdłuż kierunków ciągnienia. Chociaż daje to kilka ulepszonych właściwości folii, może to prowadzić do ograniczeń użyteczności w wyższych temperaturach. Ponieważ najbardziej stabilną konfiguracją łańcuchów polimerowych jest izotropowy Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład orientacji (maksymalizując w ten sposób entropię i obniżając energię swobodną Gibbsa układu), łańcuchy polimerowe zaczną powracać do tego stanu po ponownym podgrzaniu.
W porównaniu do folii TD, folie MD wykazują naprężenia do 1,4 MPa podczas pomiarów w temperaturze 110°C. W przypadku folii TD nie wykryto żadnej znaczącej siły przywracającej.
Jest to zgodne z brakiem rysowania w TD podczas produkcji folii, dlatego nie wykryto naprężeń w tej orientacji.