Introducere
Foliile din polimeri termoplastici sunt utilizate pe scară largă în diverse sectoare industriale datorită avantajelor lor de rentabilitate, greutate redusă, flexibilitate și proprietăți fizice și chimice unice. Aplicațiile includ, fără a se limita la acestea, ambalaje, etichete, învelișuri de cabluri termocontractabile, acoperiri și folii pentru condensatoare și separatoare de baterii.
În cazurile în care proprietățile foliilor după extrudare nu sunt suficiente pentru aplicație, foliile pot fi întinse pentru a le îmbunătăți proprietățile. Beneficiile unei astfel de prelucrări variază de la îmbunătățirea proprietăților mecanice - prin creșterea rezistenței la curgere sau a modulului Young - la îmbunătățirea proprietăților optice legate de transparența foliilor, scăderea permeabilității la umiditate sau creșterea tensiunii de rupere în aplicațiile electrice.
Producția acestor folii poate fi clasificată în extrudare prin suflare sau prin turnare. În plus, în funcție de prelucrarea asupra foii extrudate, se face distincția între polimerii orientați biaxial sau uniaxial (BO). În ultimul caz, acest lucru se poate realiza prin întinderea secvențială sau simultană a foliilor [1]. Procesul sau procesele de întindere ulterioare au loc deasupra temperaturii de tranziție vitroasă, dar mult sub temperatura de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a polimerului. Alungirea în direcția mașinii (MD), adică de-a lungul direcției de mișcare a foliilor, se realizează prin tragerea foliei între role care se rotesc la viteze diferite. Astfel, al doilea set de role se rotește mai repede decât primul set [1]. În cazul tragerii secvențiale, folia este transferată ulterior într-un cuptor, unde este întinsă pe un cadru. Aici, clemele prind marginea foliei și trag folia prin îndepărtarea treptată a acesteia [1].
Aceste procese de întindere pot duce la obținerea unor grosimi ale foliei în regiunea inferioară μm. Aceste procese induc o orientare moleculară preferențială a lanțurilor polimerice din folie. Această orientare preferențială este cea care introduce o anumită tendință de contracție a foliilor în timpul încălzirii. Acest lucru poate deveni important atunci când foliile sunt supuse unor temperaturi mai ridicate, ceea ce poate duce la un comportament neașteptat al produsului sau, în cel mai rău caz, la defecțiuni ale produsului în timpul funcționării.
Contracția termică și forțele de refacere a foliilorFolii polimerice întinse
Dacă foliile întinse cu o orientare preferențială nu sunt restricționate de nicio condiție limită spațială, acestea se vor contracta la încălzire peste un anumit prag. Această procedură este reglementată de standarde internaționale precum ASTM D1204 și ASTM D2732. Cu toate acestea, foliile sunt adesea utilizate în combinație cu alte materiale. În acest caz, folia este constrânsă de cel puțin o parte și împiedicată în contracția sa. Prin urmare, dezvoltarea forței de restabilire sau, mai degrabă, tensiunile din interiorul foliei de polimer sunt de interes.
Cu ajutorul NETZSCH DMA 303 Eplexor®, acest comportament poate fi caracterizat pentru un program personalizat de temperatură/timp prin efectuarea de măsurători în condiții de deformare constantă.
Experimental
Polipropilena orientată biaxial (BO-PP) a fost investigată cu ajutorul port-probei cu tensiune din oțel (prezentat în figura 1) al NETZSCH DMA 303 Eplexor®. Grosimea nominală a probei a fost de 6 μm. Foliile au fost tăiate la o lățime de 10 mm. Lungimea eșantionului a fost măsurată cu sistemul automat de detectare a lungimii eșantionului al DMA 303 Eplexor®.
S-au efectuat măsurători ale probelor tăiate de-a lungul MD și al direcției transversale (TD, 90° față de MD). Înainte de măsurători, folia a fost supusă unei forțe statice de 0,01 N pentru a garanta că proba nu a fost bombată. Odată cu începerea măsurătorilor, deformarea probei a fost setată la 0 mm și forța statică aplicată a fost eliminată. Ulterior, probele au fost încălzite de la o temperatură inițială de 30°C la o rată de încălzire țintă de 20 K/min până la temperaturile izoterme dorite de 60°C, 90°C și 110°C. Segmentul izoterm a fost executat ca o mișcare de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare. În timpul ambelor segmente, forța și, respectiv, tensiunea probei au fost înregistrate ca funcție de timp.
În timpul încălzirii, expansiunea termică a materialului nu poate fi neglijată în aceste tipuri de măsurători. Astfel, după cum se arată aici, experimentele ar trebui efectuate izoterm pentru a evita orice suprapunere a expansiunii termice și a forțelor de restabilire care apar în timpul încălzirii continue.
O prezentare generală a parametrilor utilizați în această serie de măsurători este rezumată în tabelul 1.
Tabelul 1: Prezentare generală a parametrilor utilizați pentru această serie de măsurători: Parametrii ajustați în programul de măsurare pentru cele două segmente (măturarea temperaturii și măsurarea relaxării/încremenirii) sunt detaliați separat.
| Parametru | Valoare |
| Mod de măsurare | Tensiune |
| Dimensiunile probei | 6 μm grosime × 10 mm lățime × ≈21 mm lungime |
| Mărirea temperaturii | |
| Rata de încălzire | 20 K/min până la temperatura țintă |
| Forța de contact | 0.010 N ± 0,005 N |
| Tip de sarcină statică | Deformare |
| Valoare setată | 0 mm (limită 40 N) |
| Tip de sarcină dinamică | Forță |
| Valoare țintă | 0 N (100 % limită) @ 1 Hz |
| Măsurarea relaxării/retardării | |
| Temperatura | Izotermă la 60°C, 90°C sau 110°C |
| Tip de sarcină statică | Deformare |
| Valoare țintă | 0 mm (40 N limită) |
Rezultatele măsurătorilor
În figura 2 sunt prezentate tensiunile calculate ale probelor MD în funcție de timp pentru diferite temperaturi izoterme de 60°C (curba neagră), 90°C (curba roșie) și 110°C (curba albastră). După un anumit timp de incubare, creșterea tensiunii pare să se desfășoare într-o manieră exponențială până când atinge o valoare de platou pentru măsurătorile la 90°C și 110°C. Creșterea tensiunilor cu foliile are loc mai rapid pentru temperaturi mai ridicate. La temperaturi de 60°C sau mai mici, nu se detectează nicio creștere măsurabilă a tensiunilor. Pentru o durată de 2 h, nu se observă nicio creștere semnificativă a tensiunilor.
În cazul foliilor TD (prezentate în figura 3), nu se poate observa un comportament exponențial semnificativ în curba de tensiune pentru niciuna dintre cele trei temperaturi izoterme diferite. Pentru măsurarea la 110°C, creșterea ușoară ar putea sugera o creștere small a tensiunii. Cu toate acestea, creșterea stresului este small în comparație cu măsurătorile foliilor MD la aceeași temperatură.
Concluzie
Întinderea foliei în timpul procesului de fabricație introduce orientarea preferențială a lanțurilor polimerice de-a lungul direcțiilor de tragere. Deși acest lucru îmbunătățește mai multe proprietăți ale foliilor, poate duce la limitări ale capacității de utilizare la temperaturi mai ridicate. Deoarece cea mai stabilă configurație a lanțurilor polimerice este o distribuție izotropică a orientărilor (maximizând astfel entropia și reducând energia liberă Gibbs a sistemului), lanțurile polimerice vor începe să revină la această stare la reîncălzire.
În comparație cu foliile TD, foliile MD prezintă tensiuni de până la 1,4 MPa în timpul măsurătorilor la 110°C. Nu a fost detectată nicio forță de restabilire semnificativă pentru foliile TD.
Acest lucru este în concordanță cu lipsa de tragere în TD în timpul fabricării foliilor, astfel încât nu sunt detectate tensiuni în această orientare.