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关于PEEK、PPS复合材料红外线加热测试报告

发布时间：2023-08-31 11:37:23 信息来源：萨莱米自动化

介绍

CCP Gransden与Ceramicx合作，建立了一个红外烤箱，用于加热热塑性碳纤维预浸料的成型操作。这项测试工作是作为销售建议书(CSP 000 008)中定义的功能的一部分进行的。第一阶段为本项目红外线加热器的评估和选择，规定的最低材料温度为425℃。

材料描述

收到两种材料的三个样品，尺寸为230 x 230 x 1mm。在这些情况下，矩阵是peek1和PPS2。还收到了一个较小的PEKK3样品，尺寸为200 x 150 x 2mm。这种材料坚硬，光滑，表面有黑色光泽。在PEEK和PPS样品的表面上可以看到一个小的图案。

PEEK和PPS样品被切成115 x 115 mm的薄片。PEKK材料被切割成100 x 75毫米的碎片。

方法

评估了两个不同的加热器家族;卤素(QH和QT)和黑色空心陶瓷(FFEH)。在每种情况下，压板都安装在材料样品的上方和下方，高度可调。

FastIR

安装系统允许两个Ceramicx的FastIR 500单元安装在材料的上方和下方。FastIR 500由七个加热元件组成，以平行的方式安装在500 x 500毫米的外壳内。这些管子之间的间距是81mm。使用1500W和2000W“长”(总长度:473mm)元件，两个单元的总输出分别为21或28kW。加热单元的安装使得元件表面与样品之间的距离在55mm到95mm之间变化。

采用的实验方案如下:

•打开风扇

•中央三个加热元件依次打开，从上到下

•外部四个加热元件依次打开，从上到下

图1显示了两个fastr单元之间的样品图像。没有使用任何东西来封闭两个加热装置之间的间隙

元素

两种类型的元件可安装在FastIR单元;石英卤素和石英钨。这些元素发出不同的峰值红外波长;卤素在1.0 - 1.2μm左右，钨在1.6 - 1.9μm之间。每根管子直径为10mm，总长度为473mm，加热长度为415mm。

图1:两个带有QHL元件的fastr加热器之间的材料样品

黑色空心加热器

一个定制的加热平台被设计成包含一个2 x 7矩阵的Ceramicx的800W FFEH元件，每个平台提供11.2kW的功率。该矩阵被封装在一个510 x 510mm的盒子中，并安装在与上述fastr系统相同的框架中。采用实验方案;然而，这些压板上没有风扇。这些元件之间的距离为65mm。

使用两种不同的元素-样品距离，50和100mm。同样，两个加热装置之间的间隙是敞开的

元素

陶瓷黑色空心元件发出的峰值波长在中长范围内(2 - 10μm)。每个元件的尺寸为245 x 60mm (l x w)。与陶瓷元件相关的较长波长对于加热许多聚合物材料非常有效。

仪表

用M3螺钉将K型热电偶固定在样品表面。陶瓷水泥进行了试验，但它不能粘附在材料表面。由于需要高温，没有可用的粘合剂会保持稳定，因此机械固定被认为是必要的。热电偶位于每个样品的中心，距离边缘10mm(边缘)和30mm(四分之一)，如图2所示。这位于热电偶直接在管元件和元件之间的中心，以便最大温差将被记录。温度数据每隔一秒记录一次。

图2:PEEK材料样品，钻孔用于热电偶固定

三明治测试

夹层试验机是一种先进的材料热响应试验机，如图2所示。各种类型的红外加热器可以安装在两个位置，垂直向上和向下。这确保了被测材料可以从顶部和/或底部加热。四个非接触式光学高温计用于测定被测材料的顶部和底部表面温度。允许将发射器加热到其工作温度，然后将材料置于发射器下一段预定时间。该测试使用1kW钨(QTM)和800W黑色空心元件(FFEH)安装在样品上方75mm处，以确定哪种加热器对材料的穿透效果最好。

图3:夹芯试验机中的材料样品。

结果

FastIR

本节报告的结果，发现钨和卤素管的三种材料的问题。试验采用了三种不同的加热器高度(55mm、80mm和95mm)。

偷看

初始试验使用PEEK样品和两个FastIR加热器，1500W石英卤素管相隔110mm。该测试的结果如图4所示，表明样品未能达到所需温度。

将元件换成2000W短波卤素(QHL)管，结果表明，在相同的分离下，样品在一个位置达到并超过了要求的温度。在这种情况下，记录的最高温度为485°C，然而，也检测到显著的温差(高达83°C)。达到425°C的目标温度所需的时间为99秒。这只在两个地点实现

石英钨(QTL)管(2000W)也在三个水平上进行了测试，随着加热器距离的增加，最高温度下降。在55mm处，检测到最高和最低温度为520℃。整个材料样品的目标温度在206秒内达到。将距离增加到80mm，这些温度降低到450°C和415°C，在样品上方95mm处，样品的最高和最低温度分别为407°C和393°C。

图4:卤素加热器和钨加热器在55mm处对PEEK的加热比较

图4显示了由于加热器靠近样品以及将材料加热到425°C (2kW QT加热器为206秒)所需的时间，样品上可能发生的温度变化。

150°W钨管没有进行测试，因为增加加热器距离比减少所用元件的功率更重要。

数字

5为加热前后样品的视觉差异。

PEKK

PEKK仅在55mm处用2000W钨丝加热器加热。材料的热响应非常好，温度超过500°C被记录。最低规定温度在102秒内达到，最高记录温度超过500°C。

图6在QT加热器下加热PEKK

值得注意的是，这个样品似乎在边缘显示出一些分裂和分层，并且在加热后也显示出一些表面变形，如图7所示，可能是由于储存期间的吸湿和快速加热造成的。

图7 PEKK样品边缘出现分层现象

PPS

用2000W卤钨加热器对PPS材料进行了测试。卤素试验在55mm的间距处进行，钨试验在55mm和95mm的间距处进行。

数据再次表明钨管是这种材料更好的加热器(比卤素加热器)，在55mm分离处记录的温度更高，并且样品的温度均匀性也更好。卤素加热器记录了38℃的变化，钨加热器记录了30℃的变化。这种记录的变化将受到热电偶相对于管的位置的高度影响。不能保证热电偶位置相同。

在材料达到所需的425°C温度后，由于从样品中释放出有硫磺气味的烟雾，使用PPS的测试很快就终止了。在55mm的距离上，卤素加热器和钨加热器在55mm处分别在66秒和88秒后记录目标温度。当钨加热器安装在离样品95mm处时，没有达到目标温度。

图8 PPS在fastr加热器下的加热曲线

黑色的空洞

初始试验以50mm的元素-材料间距进行。所有材料的温度上升都非常快。从冷启动开始，空心元件大约需要10-12分钟才能加热到稳定的工作水平(表面温度约为1080℃)。700°C)。材料升温曲线与加热器升温曲线大致相似，但存在时间滞后。

偷看

下面的图9显示了加热PEEK样品以达到所需处理温度所花费的时间。这表明加热到425°C的时间大约是185秒，当加热器在50mm处打开。如果距离增加到100mm，则时间增加到230秒。样品在加热过程中被放在两个压盘之间，然后取出冷却。

图9:使用FFEH元件将PEEK加热到加工温度所需的时间

 

PEKK

PEKK达到最小阈值所需的时间略长于PEEK。这可能有两个原因:1.材料对红外辐射的吸收不如PEEK; 2.材料的厚度是PEEK的两倍(分别为1毫米和2毫米)。在50mm时达到425°C所需的时间为181秒，而在100mm时则增加了

减到244秒

图10:使用黑色空心元件加热PEKK

PPS

PPS加热非常成功，425°C的黑色空心元件分别在50和100毫米处的171秒和219秒内被记录下来。这种材料的加热曲线如图11所示。再一次，释放出有硫磺气味的烟雾，但是其数量不如上面详述的卤素加热器多。这可能部分是由于加热板背面没有风扇。

图11:PPS在FFEH元件下的加热曲线

表1总结了将卤素、钨和空心陶瓷元件加热到目标温度所需的时间。由于在超过55mm的距离上安装卤素元素并非普遍成功，因此这些结果从表中省略。

Material	Heater type (power)	Distance	Time to reach 425°C
PEEK	QHL (2kW)	55mm	99
	QTL (2kW)	55mm	206
	FFEH (800W)	50mm	185
	FFEH (800W)	100mm	230
PEKK	QTL (2kW)	55mm	102
	FFEH (800W)	50mm	181
	FFEH (800W)	100mm	244
PPS	QHL (2kW)	55mm	66
	QTL (2kW)	55mm	88
	FFEH (800W)	50mm	171
	FFEH (800W)	100mm	219

 

三明治测试

夹心测试是为了获得材料中热量传递的信息。这是通过从单面加热样品，测量两边的温度并比较结果来完成的。仅对钨管和黑色空心元件进行了测试，因为根据fastr结果，短波卤素管不适合用于所讨论的材料的加热器。

QTM元素的结果表明，PEEK和PPS材料的上下表面没有明显的温度差异，但PPS材料的加热速度更快，并且这种材料的曲线几乎无法区分。必须注意的是，这两种材料非常薄(≈1mm)。正如预期的那样，由于PEKK的厚度(≈2mm)，其温差较大(75±20℃)。这些结果如下面的图12所示。

由于操作原因，当高温计检测到300°C的温度时，测试终止。在测试的前30秒看到的峰值是反射率，不是真实的温度读数。

这些结果表明，使用钨型加热器对PEEK和PPS材料具有良好的红外穿透性是可能的。然而，PEKK的温度均衡不是很好，在测试的最后18秒内温度相差近75°C。

不可能将材料样品移近加热器来分析这将产生什么影响，因为高温计看到材料所需的锐角会扭曲读数。

图12 QTM加热器加热样品材料的温差

在相同距离(75mm)上加热带有黑色空心元件的样品，也显示出类似的趋势，较厚的PEKK材料(与较薄的材料相比)的温差更大(45±2℃)。PEEK的上下表面的温度几乎无法区分;然而，PPS的温度有差异(25±2°C)。该数据如图13所示。这表明，较长波长的PPS的红外穿透性不如较短的钨红外，而PEKK的温度均衡性更好(但不理想)。在75mm的分离，最高的温度和加热速率得到使用钨加热器，这似乎与之前的压板结果相矛盾。然而，这不能作为一个指南，因为只使用了一个加热器。此外，通过使用加热器阵列而不是单个加热器，这些特性将得到改善。

图13用FFEH加热器加热样品材料的温差

结论

•上述进行的详细测试表明，中波卤素和黑色空心元件可以将三种热塑性碳复合材料加热到至少425°C。

•使用Ceramicx 800W黑色空心元件(FFEH)可实现更高的最高温度。

•将PEEK加热到425°C所需的时间，对于2kW钨管加热器在55mm处为206秒，对于FFEH元件在100mm处为230秒

•将PEKK加热到425°C所需的时间，对于2kW钨丝管加热器在55mm处为102秒，对于FFEH元件在100mm处为244秒

•将PPS加热到425°C所需的时间，对于2kW的55mm钨丝管加热器为88秒，对于100mm的FFEH元件为219秒

•最高温度，可实现的材料加热速率和表面温度均匀性是加热器与材料安装距离的重要功能。

•使用中波卤素(钨)实现了优异的红外穿透性，因此通过材料厚度实现了PPS和PEEK的温度均衡。用PEKK实现的温度均衡不如用其他材料。

•使用黑色空心元件的PEEK具有出色的红外穿透性和温度均衡性。这个属性不如PEKK和PPS。

根据上述测试数据以及为达到形成所讨论的材料所需的温度所要求的紧密元素-材料分离，似乎最好的红外发射器是Ceramicx 800W黑色全平面空心元件。虽然达到所需温度的时间比钨加热器稍长，但所使用的元件更接近将导致更好的表面温度均匀性。此外，陶瓷元件从室温开始，大约需要12分钟才能达到工作水平。因此，通过预热元件可以大大缩短这段时间。

还应注意的是，这些结果是基于可用于测试的样品(即厚度为1毫米和2毫米)。较厚零件的加热可能需要研究加热技术的重大变化，以确保温度分布，跨越材料的厚度，是均匀的，适合后续的成形操作。

在测试的最后18秒内，测量上下表面之间的平均差值。

 

免责声明

在确定采用某种类型的红外发射器之前，应仔细考虑这些测试结果。

其他公司进行的重复测试可能无法获得相同的结果。实验条件的不同可能会改变结果。其他误差来源包括:所使用的发射器的品牌，发射器的效率，电源供应，从测试材料到所使用的发射器的距离以及环境。测量温度的位置也可能导致结果的变化。