مقدمة
PTFE (متعدد رباعي فلورو الإيثيلين)، والمعروف أيضًا باسم Teflon®، هو بوليمر لدن بالحرارة معروف بمقاومته الممتازة للمواد الكيميائية والحرارة. ويُستخدم عادةً في العديد من التطبيقات مثل أواني الطهي والعزل الكهربائي والمعدات الطبية والمخبرية ومواد التشحيم ومواد التشحيم ومانعات التسرب ومواد الحشيات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج الحشوات في مادة PTFE لتعديل خصائصها. على سبيل المثال، غالبًا ما تُضاف الحشوات الزجاجية لتعزيز خصائصه الحرارية والميكانيكية. ولذلك، من الضروري فهم السلوك الحراري لكل من مادة PTFE غير المملوءة والمملوءة على حد سواء في نطاق درجات حرارة التشغيل.
تجريبي
تم تحديد الموصلية الحرارية باستخدام مقياس التدفق الحراري TCT 716 Lambda المحمي (GHFM). وتتضمن تقنية الحالة المستقرة هذه وضع عينة بسُمك معروف بين لوحين يتم الحفاظ عليهما في درجات حرارة مختلفة، مما يتيح تدفق الحرارة عبر العينة. يتم قياس تدفق الحرارة خلال سُمك العينة، ثم يتم حساب التوصيل الحراري.
وتتميز طريقة GHFM عن الطرق الأخرى لأنها فعالة بشكل خاص في العينات التي تمثل تحديًا تقليديًا، على سبيل المثال المواد غير المتجانسة ومتباينة الخواص مثل العينات متعددة الطبقات والمركبة [1]. بالإضافة إلى المزيد من المواد المتجانسة القياسية، فإن جهاز GHFM قادر أيضًا على تحديد التوصيل الحراري للمواد ذات الطبقات أو المملوءة بدقة (على سبيل المثال، البوليمرات المملوءة بالزجاج).
بالنسبة لهذه الدراسة، تم الحصول على عينات من مادة PTFE (الجدول 1) من مصنعين مختلفين، بما في ذلك عينة من مادة PTFE غير مملوءة وعينة من مادة PTFE المملوءة بالألياف الزجاجية من إحدى الشركات المصنعة. يبلغ قطر كل عينة اختبار حوالي 50 مم وسمكها 3 مم. يرد ملخص لمعلومات العينة في الجدول أدناه. تم إجراء القياسات على نطاق درجة حرارة يتراوح بين -10 درجات مئوية تقريبًا إلى 200 درجة مئوية، وتمت المعايرة باستخدام Vespel® SP-1. وُضعت طبقة رقيقة من مركب السيليكون الحراري المشترك بين العينات وألواح الأجهزة لتقليل المقاومة البينية. تم تطبيق ضغط يبلغ 175 كيلو باسكال تقريبًا على العينات أثناء الاختبار.
الجدول 1: عينات الاختبار
| العينة 1 | العينة 2 | العينة 3 | |
|---|---|---|---|
| المادة | مادة PTFE غير مملوءة | مادة PTFE غير مملوءة | مادة PTFE المملوءة بالألياف الزجاجية PTFE |
| الشركة المصنعة | A | B | B |
| سُمك العينة | 2.90 مم | 3.20 مم | 3.15 مم |
| كثافة العينة | 2.118 جم/سم مكعب | 2.166 جم/سم مكعب | 2.172 جم/سم مكعب |
النتائج والتحليل
تُعرض نتائج الموصلية الحرارية الظاهرية مقابل درجة الحرارة للعينات المختبرة في الشكل 1. تتماشى العينات غير المعبأة من المصنعين A (المنحنى الأزرق) وB (المنحنى البرتقالي) مع القيم المتوقعة من الأدبيات التي تبلغ حوالي 0.27 واط/(م-ك) عند درجة حرارة الغرفة [2]. بالإضافة إلى ذلك، تتميز العينة 2 بكثافة أعلى من العينة 1، مما يؤدي إلى زيادة مقابلة في التوصيل الحراري. وكما هو متوقع، تُظهر العينة التي تحتوي على حشو من الألياف الزجاجية موصلية حرارية أعلى بكثير. علاوةً على ذلك، من المعروف أن مادة PTFE تمر بمرحلة انتقالية صلبة-صلبة في درجة حرارة الغرفة [3]، وهو ما يتضح في التغير الملحوظ في التوصيل الحراري الظاهر في منطقة درجة الحرارة هذه. (تجدر الإشارة إلى أنه خلال منطقة الانتقال الطوري هذه، تمتص المادة الحرارة، والتي لا تدخل آثارها في نطاق هذه المذكرة التطبيقية). فوق منطقة الانتقال الطوري هذه، يكون تأثير زيادة درجة الحرارة على التوصيل الحراري ضئيلًا [4].
الملخص
أظهرت النتائج أن العينات غير المملوءة من كلا المصنعين تتماشى مع قيم التوصيل الحراري المتوقعة لـ PTFE غير المملوءة استنادًا إلى المصادر الأدبية. أظهرت العينة ذات الكثافة الأعلى توصيلًا حراريًا أعلى، وأظهرت العينة المملوءة بالألياف الزجاجية زيادة في التوصيل الحراري. بالإضافة إلى ذلك، خضعت مادة PTFE لمرحلة انتقالية بين الصلبة والصلبة في درجة حرارة الغرفة، وهو ما كان واضحًا في التغير في التوصيل الحراري. وفوق هذا الانتقال الطوري، كان تأثير درجة الحرارة على التوصيل الحراري ضئيلًا. وتوضح نتائج هذه الدراسة أن TCT 716 Lambda فعال للغاية في تحليل الخواص الحرارية لكل من PTFE غير المملوء والمملوء ب PTFE.