Како топлотна експанзија челичне плоче обложене ПТФЕ-утиче на адхезију премаза током хиљада циклуса?

Челична грејна плоча обложена ПТФЕ-која изгледа беспрекорно након стотину циклуса, може почети да ствара пликове и љушти се на ивицама након десет хиљада. Основни разлог није хемијски напад, већ немилосрдни механички стрес-челик се шири са топлотом, али ПТФЕ премаз не жели да прати, а ово тихо навлачење--конопца се води на линији атомске везе. Разумевање понашања челичне плоче са адхезионим слојем ПТФЕ премаза је кључно за дефинисање премаза који издрже године циклуса грејања и хлађења без раслојавања.

Коефицијент неусклађености термичке експанзије
Сви материјали се шире када се загревају и скупљају када се охладе. Коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ) квантификује величину ове промене димензија. ЦТЕ вредности две главне компоненте обложене плоче се драстично разликују:

ПТФЕ (политетрафлуороетилен): ~ 120 × 10-6/ степен (у распону од 20-100 степени)

Нерђајући челик 316Л: приближно . 17 ×10⁻⁶/ степен

За исту промену температуре, међутим, ПТФЕ се шири око седам пута више од челика. Челик ће се проширити за приближно 0,9 мм на плочи ширине 300 мм загрејаној од 20 до 200 степени. Неспутани ПТФЕ би се проширио на око 6,5 мм. Али ПТФЕ премаз није бесплатан – причвршћен је за површински челик. Ово узрокује да се премаз савија и скупља са металом, акумулирајући унутрашње напетости.

Зашто мекоћа ПТФЕ-а не решава проблем
На први изглед, мекоћа и флексибилност ПТФЕ-а могу се чинити као да компензују неусклађеност. Полимер се може мало растегнути (еластично). Али грешка није у великом ПТФЕ-у, већ у чврстом слоју прајмера који пријања за метал. Већина ПТФЕ премаза високих перформанси захтева прајмер, танак-слој полимера који подстиче адхезију-, често са керамичким пунилима. Овај прајмер је крут и крт са ЦТЕ ближим челику него ПТФЕ.

Сваки пут када се плоча загреје и охлади, линија везивања премаза добија микроскопску вежбу. Како се челик загрева, он се шири и повлачи слој прајмера напоље. ПТФЕ на врху прајмера жели да се више прошири, али се задржава. Ово доводи до микро-напрезања на смицање на интерфејсу. Челик се скупља и стишће премаз док се хлади. У једном циклусу напони могу бити ниски. Али, током хиљада циклуса, замор се нагомилава на најслабијем делу, углавном на граници између прајмера и метала или између прајмера и завршног премаза.

Режими квара због цикличког термичког ширења
У плочама обложеним ПТФЕ након поновљених термичких циклуса, примећују се два различита типа квара:

Љуштење ивица (неуспех лепка): Напони су концентрисани на ивицама плоче где се премаз зауставља. У сваком циклусу, смичући напон повлачи премаз према унутра са ивице. Граница развија мале пукотине које се шире, узрокујући да се ПТФЕ подиже са металне површине. Ово је генерално чист квар на интерфејсу металног{3}}прајмера.

Пликови (кохезиони недостатак прајмера): Ако је слој прајмера претврд и постоји недостатак унутрашње флексибилности, микро-пукотине ће се развити унутар самог прајмера. Ови преломи могу дозволити да влага или пара уђу испод завршног премаза. Даље загревање изазива ширење заробљених гасова и стварање пликова. Овом обрасцу квара обично претходи површина премаза која се замути или промени боју.

Решење степенованог прајмера: усклађеност, апсорпција стреса
Тренутни приступ решавању проблема неусклађености ЦТЕ-а је коришћење вишеслојног система прајмера који полако прелази са чврсте хемије везивања метала-у флексибилнији слој погодан за флуорополимер-. Ово је познато као слојевита граница усклађености.

Како функционише: Почетни слој (који се наноси директно на челик) садржи велике количине промотера адхезије и термички одговарајућих пунила. Агресивно се лепи за метал и има ЦТЕ близу челика. Каснији слојеви садрже све веће количине ПТФЕ или других компатибилних флуорополимера. Сваки слој има нешто већи ЦТЕ и нижи модул од доњег слоја. Горњи прајмер је мекан и флексибилан и блиско се уклапа са ПТФЕ завршним премазом.

Механизам апсорпције напрезања: Када се плоча загреје, напон на смицање ће бити дифундован по дебљини класификованог прајмера, уместо да се концентрише на једном оштром интерфејсу. Сваки слој се мало изобличује, узимајући део неслагања у експанзији. Исход је знатно нижи вршни стрес у било ком тренутку. Заиста, кохезивни квар везе унутар прајмера (а не на металној површини) је показатељ да систем функционише како се жели – напон се апсорбује на месту где се материјал може пластично савијати, уместо да се разбије суштинска лепљива веза са челиком.

Мерење користи: информације о цикличним тестовима
Убрзано тестирање животног века плоча са ПТФЕ-превученим слојем са и без степенастих слојева прајмера показује значајне варијације. Типични системи са 2 слоја (прајмер + завршни премаз) обично показују љуштење ивица након 2000-3000 топлотних циклуса од амбијенталне до 200 степени. Градирани систем прајмера са 4 или више прелазних слојева често преживљава преко 20.000 циклуса без приметног губитка адхезије. Побољшање произилази из степенованог дизајна усклађености.

Избор премаза: практична разматрања
Приликом одређивања ПТФЕ премаза за челичну плочу која ће бити подложна честим променама температуре, треба узети у обзир следеће:

Конструкција прајмера: Распитајте се код добављача премаза о доступности степенованог или више{0}}слојног прајмера. Немају сви ПТФЕ премази ову карактеристику.

Максимална радна температура Виша температура повећава напон неусклађености ЦТЕ. Озбиљни циклус стреса се јавља много пре него што деградација ПТФЕ почне на температурама изнад 260 степени.

Дебљина плоче: Дебље плоче се више шире у апсолутном износу (са истим ЦТЕ) Тање плоче су флексибилније и могу се савијати да би компензовале неке неусклађености, али се такође загревају и хладе брже, што доводи до више циклуса.

Третман ивица: Заобљене или закошене ивице смањују концентрацију напрезања на акутним угловима од 90 степени. Премаз треба да се протеже мало даље од загрејаног простора тако да не престане нагло у зони високог-напрезања.

Закључак: Победа у основној хемији
Дуготрајно{0}}приањање ПТФЕ премаза на челичну плочу није само функција почетне чврстоће везивања. То је ремек-дело хемије прајмера, које упија тихе, понављајуће притиске топлотног ширења које би нормално покидале премаз након хиљада циклуса. ЦТЕ неусклађеност је тада параметар дизајна, а не фатална грешка, пошто се интерфејс степеноване усклађености може изградити слој по слој, од хемије везивања тврдог метала- до флексибилне површине флуорополимера. Најјача карика није појединачна јака карика већ ланац карика-за ублажавање напрезања, а ланац у случају челичних плоча обложених ПТФЕ-кован је у прајмеру.