مقدمة
يُعرف البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) جيدًا من خلال استخدامه اليومي كطلاء مانع للالتصاق لأواني القلي وغيرها من أواني الطهي. PTFE غير تفاعلي للغاية ويوفر مقاومة كيميائية عالية. وبسبب هذه الخصائص، فإنه لا يستخدم فقط في التطبيقات الطبية ولكن أيضًا في الصناعة مثل، على سبيل المثال، في الحاويات والأنابيب الخاصة بالمواد الكيميائية المسببة للتآكل والمواد الكيميائية التفاعلية. كما تُصنع أجزاء مثل المحامل والبطانات والتروس التي تحتاج إلى حركة انزلاقية من PTFE.
تم تحقيق التوصيف الحراري لمادة PTFE باستخدام تقنيات مختلفة للتحليل الحراري واختبار الخصائص الفيزيائية الحرارية. أُجريت القياسات بين -170 درجة مئوية و700 درجة مئوية (حسب الطريقة). تم تحديد التمدد الحراري وتغيرات الكثافة عن طريق قياس التمدد الحراري وتغيرات الكثافة عن طريق قياس التمدد الحراري (DIL، استنادًا إلى، على سبيل المثال، ASTM E831، DIN 51045). استُخدِم التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) لتحليل الخصائص اللزوجة المرنة (معامل التخزين والفقد). تم قياس الانتشار الحراري باستخدام تقنية الرماد بالليزر (LFA، استنادًا إلى، على سبيل المثال، ASTM E1461، DIN EN821. ويسمح الجمع بين بيانات الانتشار الحراري مع الحرارة والكثافة المحددة بحساب الموصلية الحرارية للبوليمر. تمت دراسة سلوك التحلل باستخدام التحليل الحراري المتزامن (STA، على سبيل المثال، ASTM E1131، ASTM D3850، DIN 51006، ISO 11357، DIN 51004، DIN 51007، إلخ). تم تحليل الغازات المتطورة بواسطة مطياف الكتلة (QMS) ومطياف فورييه للتحويل بالأشعة تحت الحمراء (FT-IR).
يُظهر PTFE العديد من التحولات على نطاق درجة الحرارة بالكامل. وتحت درجة حرارة أقل من 19 درجة مئوية، يتم الحصول على طور ثلاثي الكلور مرتب جيدًا، في حين أنه بين 19 درجة مئوية و30 درجة مئوية، يشكل PTFE طورًا سداسيًا مرتبًا جزئيًا. وفوق 30 درجة مئوية وحتى نقطة الانصهار (328 درجة مئوية)، تُظهر المادة طورًا شبه سداسي الشكل غير مرتب للغاية. يمكن العثور على تحولات أخرى عند درجة حرارة -115 درجة مئوية و131 درجة مئوية والتي يمكن أن تعزى إلى المرحلة غير المتبلورة [1]. تصف بعض مصادر الأدبيات (على سبيل المثال، [3]، [4]) التحول الطوري عند 131 درجة مئوية على أنه انتقال زجاجي.
بولي تترافلورو إيثيلين = PTFE
- يُعرف باسم تفلون®*
- اكتشفه روي بلونكيت في عام 1938
- الصيغة الجزيئية: CnF2n+2
- الكتلة الجزيئية: 100.02 جم/مول
- الكثافة: 2.2 جم/سم مكعب
- درجة الانصهار: 327 درجة مئوية
*تفلون® علامة تجارية مسجلة لشركة E.I. DuPont de Nemours and Company.
تم توريد مادة PTFE التي تم تحليلها في هذا العمل من قبل ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH، هايدنهايم.
نتائج الاختبار
أ) الخواص اللزوجة المرنة
يعرض الشكل 1 الخواص الميكانيكية المحددة E´، E´´ وTanδ. يمكن أن تُعزى الخطوة في معامل التخزين عند درجة حرارة -131 درجة مئوية إلى الانتقال الزجاجي للمرحلة غير المتبلورة. يمكن رؤية انتقالين صلب-صلب بين 20 درجة مئوية و40 درجة مئوية. ولوحظت خطوة أخرى في منحنى E´´ عند 115 درجة مئوية بسبب الانتقال بين الصلبة والسائلة للمرحلة غير المتبلورة [1]، والتي توصف أحيانًا بالانتقال الزجاجي [3]، [4].
يظهر مخطط ثلاثي الأبعاد لقياس متعدد الترددات (1 و2 و5 و10 هرتز) في الشكل 2. يمكن ملاحظة أن tanδ يتزايد مع التردد عند درجة حرارة معينة.
ب) التمدد الحراري وتغير الكثافة
يتمدد PTFE بمعدل تمدد ثابت بين -170 درجة مئوية و20 درجة مئوية (الشكل 3). تم اكتشاف قفزة في التمدد الحراري عند درجة حرارة الغرفة بسبب الانتقال من الحالة الصلبة إلى الصلبة. فوق مرحلة الانتقال الطوري، يزداد التمدد الحراري باستمرار مع زيادة طفيفة في معدل التمدد.
ويوضح الشكل 4 التمدد الحجمي والتغير في كثافة PTFE. ويتوافق التحول من الصلب إلى الصلب مع تغير في الحجم يزيد عن 1٪.
C) الخواص الفيزيائية الحرارية
الانتشار الحراري وتغير الكثافة والحرارة النوعية
يعرض الشكل 5 الانتشار الحراري والحرارة النوعية وتغير الكثافة ل PTFE. يتناقص الانتشار الحراري باستمرار مع درجة الحرارة؛ وهذا متوقع من فيزياء الحالة الصلبة لتوصيل الفونون. يمكن تحديد الانتقال من الحالة الصلبة إلى الصلبة عند درجة حرارة RT بوضوح، في حين أن التحولات الأخرى عند -131 درجة مئوية وعند 115 درجة مئوية غير مرئية.
الموصلية الحرارية
يوضح الشكل 6 الموصلية الحرارية المحسوبة بواسطة الانتشار الحراري والحرارة النوعية والكثافة. في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، تكون الموصلية الحرارية ثابتة تقريبًا (0.32 واط م-1 كلفن-1). أثناء الانتقال الطوري بين 10 درجات مئوية و40 درجة مئوية، تنخفض الموصلية الحرارية بأكثر من 10%، وحتى في درجات الحرارة الأعلى - بعد ارتفاع الإشارة مرة أخرى - تكون الموصلية الحرارية أقل بكثير مقارنةً بالمنطقة السابقة للتغير الطوري.
د) التحلل الحراري، تحليل الغازات
يوضح الشكلان 7 و8 التغيرات في الكتلة المعتمدة على درجة الحرارة وإشارات مطياف الكتلة. لا يظهر PTFE أي فقدان للكتلة حتى يبدأ التحلل الحراري عند 587 درجة مئوية. واكتشف مطياف الكتلة تغيّر شدة التيار الأيوني للأرقام الكتلية 31 و50 و69 و81 و100 و131 و131 و150 و181 و200 و219 و243. تشير هذه الأرقام الكتلية إلى الأجزاء النموذجية من PTFE. يتحلل البولي تترافلوروإيثيلين متعدد رباعي فلورو الإيثيلين تمامًا؛ ولا تبقى أي كتلة متبقية في جو الغاز الخامل.
وبالتزامن مع اختبار TGA-MS، تم إجراء قياس بالأشعة تحت الحمراء FT-IR. وتظهر مجموعة من جميع أطياف الأشعة تحت الحمراء المكتشفة كمكعب ثلاثي الأبعاد في الشكل 9. وبالإضافة إلى ذلك، تم تضمين إشارة TGA في الوجه الجانبي للمكعب.
من هذا المخطط الثلاثي الأبعاد، استُخرجت أطياف مفردة عند درجة حرارة قريبة من الحدود القصوى للقمم المرئية (الشكل 10) وقورنت ببيانات المكتبة. تم تحديد HF ورباعي فلورو الإيثيلين.
الخاتمة
تم اختبار العديد من الخواص الفيزيائية الحرارية والميكانيكية الحرارية للحصول على فهم أفضل ل PTFE. ويمكن تحديد الانتقال من الحالة الصلبة إلى الصلبة من خلال جميع تقنيات التحليل الحراري المستخدمة. فقط التحليل الميكانيكي الديناميكي كان قادرًا على اكتشاف التحولات المتعلقة بالمرحلة غير المتبلورة.