Tijdens PFA-extrusie op een metalen kern verlaat het polymeer de matrijs bij 350-400 graden en koelt af tot kamertemperatuur. De afkoelsnelheid bepaalt hoe polymeerketens op hun plaats bevriezen, waardoor de restspanningsverdeling in de voltooide verwarmingsmantel direct wordt geregeld. Door langzame afkoeling (5–10 graden per minuut) kunnen de kettingen ontspannen, wat resulteert in een lage restspanning (1–3 MPa) die gelijkmatig over de wanddikte wordt verdeeld. Snelle koeling (50–100 graden per minuut, bijv. waterquench) bevriest kettingen in een georiënteerde toestand, waardoor hoge restspanningen (5–10 MPa) ontstaan, geconcentreerd op de binnen- en buitenoppervlakken. Voor een 2 mm dikke PFA-mantel zorgt snelle afkoeling voor trekspanningen aan het binnenoppervlak (PFA-metaalgrensvlak) van 6–8 MPa en drukspanningen van 4–6 MPa aan het buitenoppervlak. Deze spanningsverdeling versnelt het optreden van spanningsscheuren door de omgeving en bevordert delaminatie tijdens thermische cycli. Langzame koeling heeft de voorkeur voor zeer betrouwbare verwarmers.
Afkoelingsmechanismen en stressgeneratie
Terwijl geëxtrudeerd PFA afkoelt, stolt het buitenoppervlak eerst omdat het in contact komt met koelere lucht of water. Het binnenoppervlak (tegen de metalen kern) blijft langer gesmolten omdat de hete kern de afkoeling vertraagt. Deze differentiële stolling creëert een thermische gradiënt over de muur. Wanneer de buitenhuid stolt en krimpt, trekt deze het nog-gesmolten binnenmateriaal naar buiten, waardoor er spanning ontstaat in de buitenlaag en compressie in de binnenlaag. Terwijl de binnenste laag uiteindelijk stolt en krimpt, trekt deze zich terug, waardoor de spanningstoestand wordt omgekeerd. De uiteindelijke restspanning hangt af van de afkoelsnelheid en de beperking van de metalen kern.
Voor een snel-uitgehard omhulsel (waterbad van 20 graden, koelsnelheid 80 graden/min), stolt de buitenhuid binnen 2 à 3 seconden. Het duurt 30-60 seconden voordat de binnenlaag is afgekoeld tot onder de 200 graden. De buitenste laag houdt de trekspanning (3–5 MPa) vast, terwijl de binnenste laag stolt onder spanning (5–8 MPa) van de samentrekkende buitenlaag. Het resultaat: binnenoppervlak onder spanning (slecht), buitenoppervlak onder spanning (minder slecht). Spanning aan het binnenoppervlak bevordert het ontstaan van scheuren op het PFA-metaalgrensvlak.
Voor een langzaam-gekoelde mantel (luchtkoeling in een temperatuur-oven met gecontroleerde temperatuur, 8 graden/min), is de temperatuurgradiënt over de muur minimaal. De hele muur stolt vrijwel gelijktijdig. De restspanning is laag (1–2 MPa) en heeft overwegend druk op het binnenoppervlak (goed, omdat compressie microscheuren sluit).
Residuele stress versus afkoelsnelheid
| Koelmethode | Koelsnelheid (graad /min) | Spanning binnenoppervlak (MPa) | Buitenoppervlakspanning (MPa) | Spanningstype op interface | Risico op delaminatie |
|---|---|---|---|---|---|
| Oven langzaam afkoelen (gegloeid) | 5–10 | −1 tot −2 (compressief) | −1 tot −2 (compressief) | Compressief (goed) | Zeer laag |
| Luchtkoeling (kamertemperatuur, stilstaande lucht) | 15–25 | +1 tot +3 (treksterkte) | 0 tot +1 (treksterkte) | Lichte treksterkte | Laag |
| Geforceerde lucht (ventilator) | 30–50 | +3 tot +5 | +1 tot +3 | Matige treksterkte | Gematigd |
| Waterkoeling (koud) | 60–100 | +6 tot +10 | +3 tot +6 | Hoge treksterkte | Hoog |
| Ijswater blussen | 100–150 | +10 tot +15 | +5 tot +10 | Zeer hoge treksterkte | Zeer hoog |
Opmerking: Positieve waarden (+) geven trekspanning aan; negatief (-) geeft drukspanning aan.
Hoe restspanning de prestaties van de verwarming beïnvloedt
Hoge resttrekspanning op het PFA-metaalgrensvlak (door snelle afkoeling) heeft drie negatieve gevolgen:
Versnelde scheuren door omgevingsstress: In aanwezigheid van agressieve chemicaliën (zuren, gechloreerde oplosmiddelen) scheurt het onder spanning staande grensvlak bij lagere uitgeoefende spanning. Een verwarming met een restspanning van 8 MPa kan binnen 500 uur barsten in 30% HCl bij 90 graden; dezelfde verwarmer met een restspanning van 2 MPa gaat 5.000 uur mee.
Verminderde levensduur van de thermische cyclus: Elke verwarmings-/koelcyclus voegt thermische uitzettingsspanning toe aan de restspanning. Wanneer de som de vloeigrens van PFA (12–15 MPa) overschrijdt, geeft het grensvlak mee. Een snel-gekoelde verwarming (resterend 8 MPa) plus thermische belasting (5 MPa) bereikt een bijna rendement van 13 MPa-. Een langzaam-gekoelde verwarming (resterend 2 MPa) plus thermische belasting (5 MPa) bereikt 7 MPa-veilig.
Voortijdige delaminatie: Trekspanning trekt de PFA weg van de metalen kern, waardoor microspleten ontstaan. Vocht dringt in de openingen en daaropvolgende verwarming zet vocht om in stoom, waardoor de huls blaren krijgt.
Detectie en specificatie
Residual stress can be measured by cutting a ring of the PFA sheath, slitting it axially, and measuring the resulting curvature (radius of curvature method). Fast-cooled tubes curl into a tight circle (radius 20–50 mm); slow-cooled tubes remain nearly straight (radius >200mm).
Voor aanschafspecificaties geldt het volgende: "PFA-omhulsel moet na extrusie langzaam- worden gekoeld, met een koelsnelheid van niet meer dan 15 graden/minuut van smelt tot 100 graden." Vraag restspanningsmeting aan volgens ASTM D6991 (spleetbuismethode) met acceptatiecriterium: kromtestraal Groter dan of gelijk aan 150 mm voor een ring van 100 mm lang.
Conclusie: Langzame koeling vermindert de reststress met 70-80%
De koelsnelheid tijdens PFA-extrusie bepaalt rechtstreeks de verdeling van de resterende spanning in de verwarmingsmantels. Snelle koeling (afschrikken met water) creëert hoge trekspanningen (6–10 MPa) op het PFA-metaalgrensvlak, waardoor spanningsscheuren worden versneld, de levensduur van de thermische cyclus wordt verkort en delaminatie wordt bevorderd. Langzame koeling (5–15 graden/min, lucht- of ovenkoeling) vermindert de restspanning tot 1–3 MPa (druk of lage treksterkte), waardoor de levensduur van de verwarmer bij agressief gebruik met 3–5× wordt verlengd. Voor elke verwarming die bestemd is voor thermische cycli of corrosieve omgevingen, specificeert u langzame koeling en verifieert u deze met restspanningsmeting. De extra verwerkingstijd (uren vs. minuten) voegt 10-20% toe aan de productiekosten, maar betaalt zich terug door een langere levensduur. Een snel-verwarmer is een mislukking die nog kan gebeuren. Koel het langzaam af, druk het laag in, verwarm het lang. Dat is de extrusieregel.
