In che modo la velocità di raffreddamento durante l'estrusione del PFA modifica la distribuzione dello stress residuo nelle guaine del riscaldatore?

Il PFA estruso su un'anima metallica lascia lo stampo a 350-400 gradi e viene raffreddato a temperatura ambiente. La velocità di raffreddamento determina il modo in cui le catene polimeriche si congelano in posizione, il che controlla direttamente la distribuzione dello stress residuo attraverso la guaina del riscaldatore finale. La velocità di raffreddamento rapida (5-10 gradi C/min) impedisce il rilassamento delle catene e si traduce in un basso stress residuo (1-3 MPa) distribuito uniformemente attraverso lo spessore della parete. Il raffreddamento rapido (50-100 gradi/min, ad esempio raffreddamento in acqua) fissa le catene in una condizione orientata e provoca una notevole tensione residua (5-10 MPa) concentrata sulle superfici interna ed esterna. Il raffreddamento rapido provoca uno stress di trazione di 6–8 MPa sulla superficie interna (interfaccia PFA-metallo) e uno stress di compressione di 4–6 MPa sulla superficie esterna per una guaina in PFA con uno spessore di 2 mm. Questa distribuzione dello stress accelera la fessurazione da stress ambientale e promuove la delaminazione durante il ciclo termico. I riscaldatori con grande affidabilità richiedono un raffreddamento lento.

Meccanismi di velocità di raffreddamento e formazione di stress
Quando il PFA estruso si raffredda, la superficie esterna si solidifica per prima poiché è a contatto con l'aria o l'acqua più fredda. Il nucleo riscaldato fa sì che la parte interna (verso il centro metallico) si raffreddi più lentamente, quindi rimane fusa più a lungo. Questa solidificazione differenziale provoca un gradiente di temperatura attraverso la parete. Quando la pelle esterna si indurisce e si contrae, trascina verso l'esterno l'interno ancora fuso, tendendo l'esterno e comprimendo l'interno. Infine lo strato interno si solidifica e si restringe, arretrando e invertendo la condizione di stress. Lo stress residuo finale dipende dalla velocità di raffreddamento e dalla limitazione del nucleo metallico.

Per una guaina raffreddata rapidamente (bagnomaria a 20 gradi, velocità di raffreddamento 80 gradi/min) la pelle esterna si solidifica in 2-3 secondi. Lo strato interno si raffredda sotto i 200 gradi entro 30-60 s. Lo strato esterno congela sotto tensione (3-5 MPa), mentre lo strato interno congela sotto tensione (5-8 MPa) a causa della contrazione dello strato esterno. Il risultato è stato una superficie interna in tensione (scarsa) e una superficie esterna in tensione (meno terribile). Lo stress sulla superficie interna favorisce l'innesco di cricche al contatto tra PFA e metallo.

Per una guaina raffreddata gradualmente (raffreddamento ad aria-in un forno a temperatura controllata, 8 gradi/min) il gradiente di temperatura sulla parete è piccolo. Il muro si solidifica quasi tutto in una volta. La tensione residua è minima (1–2 MPa) e prevalentemente di compressione sulla superficie interna (eccellente, poiché la compressione chiude le microfessure).

Velocità di raffreddamento e stress residuo
Velocità di raffreddamento (gradi/min) Tecnica di raffreddamentoSollecitazione della superficie interna (MPa) Sollecitazione della superficie esterna (MPa)Tipo di sollecitazione dell'interfacciaRischio di delaminazione
fresco in forno, gradualmente (ricotto)5–10 Da −1 a −2 (compressivo) Da −1 a −2 (compressivo)Compressivo (buono) Molto basso
Aria fresca (temperatura ambiente, aria ferma) da 15–25 +1 a +3 (trazione) da 0 a +1 (trazione) Lieve trazione Bassa Aria forzata (ventilatore) da 30–50 +3 a +5 +1 a +3 Trazione moderata Moderata
Tempra in acqua (freddo) da 60-100 +6 a +10 +3 a +6 Alta resistenza Alta
Estinzione con acqua ghiacciata da 100–150 +10 a +15 +5 a +10 Resistenza alla trazione molto elevataEstremamente alta
Nota: (+) valori positivi indicano sollecitazione a trazione; (−) negativo implica tensioni di compressione.

Influenza dello stress residuo sulle prestazioni del riscaldatore
Il raffreddamento rapido porta a un'elevata sollecitazione di trazione residua sull'interfaccia metallica del PFA-, che ha tre effetti dannosi:

Cracking da stress ambientale accelerato Con sostanze chimiche forti (acidi, solventi clorurati), il contatto sollecitato si frattura con uno stress applicato inferiore. Se il riscaldatore con tensione residua di 8 MPa può frantumarsi in HCl al 30% a 90 gradi in 500 ore, lo stesso riscaldatore con tensione residua di 2 MPa dura 5.000 ore.

Durata del ciclo termico ridotta: ogni ciclo di riscaldamento/raffreddamento aggiunge stress di dilatazione termica allo stress residuo. Se la somma è superiore al limite di snervamento del PFA (12-15 MPa), l'interfaccia cede. Riscaldatore a raffreddamento rapido (8MPa residui) + stress termico (5MPa)=13MPa ~ resa. 7 MPa è sicuro con un riscaldatore a raffreddamento lento (2 MPa residui) + stress termico (5 MPa).

Delaminazione prematura: il PFA si separa dal nucleo metallico a causa dello stress di trazione, formando microgap. L'umidità penetra nelle fessure e poi il riscaldamento trasforma l'umidità in vapore, bruciando la guaina.

Rilevazione e designazione
Residual stress can be determined by cutting a ring from the PFA sheath, making an axial slice, and measuring the resulting curvature (radius of curvature method). Fast cooled tubes curve into a tight circle (radius 20–50 mm), slow cooled tubes stay almost straight (radius >200 millimetri).

Specificare negli appalti. La guaina in PFA dovrà essere raffreddata lentamente dopo l'estrusione con una velocità di raffreddamento non superiore a 15 gradi/min dalla fusione a 100 gradi. Richiedere la misurazione delle tensioni residue secondo ASTM D6991 (metodo del tubo tagliato) con criterio di accettazione: raggio di curvatura Maggiore o uguale a 150 mm per un anello lungo 100 mm.

Conclusione: il raffreddamento lento riduce lo stress residuo del 70-80%.
La velocità di raffreddamento dell'estrusione di PFA determina direttamente la distribuzione delle tensioni residue nelle guaine del riscaldatore. Il raffreddamento rapido (tempra in acqua) induce uno stress di trazione elevato (6–10 MPa) sull'interfaccia metallica del PFA- che porta a fessurazioni da stress, riduzione della durata del ciclo termico e delaminazione. Il raffreddamento lento (aria o forno, 5–15 gradi/min) riduce lo stress residuo a 1-3 MPa (compressione o bassa trazione) e aumenta la durata del riscaldatore di 3-5 volte in caso di utilizzo aggressivo. Per qualsiasi riscaldatore utilizzato per cicli termici o condizioni corrosive, specificare il raffreddamento lento e confermare con una prova di stress residuo. Il tempo di lavorazione è più lungo (ore contro minuti) e aumenta i costi di produzione del 10-20%, ma è ripagato da una maggiore durata. Un riscaldatore che si raffredda rapidamente è una ricetta per un disastro. Rallenta il freddo, abbassa lo stress, a lungo il caldo. Questa è la legge dell'estrusione.