Въведение
Политетрафлуороетиленът (ПТФЕ) е добре познат от ежедневното си приложение като незалепващо покритие за тигани и други кухненски съдове. ПТФЕ е много нереактивен и осигурява висока химическа устойчивост. Благодарение на тези свойства той се използва не само в медицината, но и в промишлеността, например в контейнери и тръбопроводи за корозивни и реактивни химикали. Също така части като лагери, втулки и зъбни колела, при които е необходимо плъзгане, се изработват от PTFE.
Топлинното характеризиране на материала PTFE е осъществено с помощта на различни техники за термичен анализ и изпитване на термофизични свойства. Измерванията са извършени между -170°C и 700°C (в зависимост от метода). Промените в термичното разширение и плътността бяха определени с помощта на пушрод дилатометрия (DIL, на базата например на ASTM E831, DIN 51045). Динамичният механичен анализ (ДМА) е използван за анализ на вискоеластичните свойства (модул на съхранение и модул на загуба). Топлинната дифузия е измерена с лазерната техника на пепел (LFA, базирана например на ASTM E1461, DIN EN821. Комбинирането на данните за термичната дифузия със специфичната топлина и плътност позволява да се изчисли коефициентът на топлопроводност на полимера. Поведението на разлагане е изследвано с помощта на едновременен термичен анализ (STA, на базата например на ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 и др.) Еволюиралите газове бяха анализирани с масспектрометър (QMS) и инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FT-IR).
ПТФЕ проявява няколко прехода в целия температурен диапазон. Под 19 °C се получава добре подредена триклинова фаза, докато между 19 °C и 30 °C ПТФЕ образува частично подредена хексагонална фаза. Над 30°C и до температурата на топене (328°C) материалът показва псевдохексагонална, много неуредена фаза. Допълнителни преходи могат да бъдат открити при -115°C и 131°C, които могат да бъдат отнесени към аморфната фаза [1]. Някои литературни източници (напр. [3], [4]) описват фазовата трансформация при 131°C като стъклен преход.
Политетрафлуроетилен = PTFE
- По-известен като Teflon®*
- Открит от Рой Плункет през 1938 г
- Молекулна формула: CnF2n+2
- Молекулна маса: 100,02 g/mol
- Плътност: 2,2 g/cm³
- Точка на топене: 327°C
*Teflon® е регистрирана търговска марка на E.I. DuPont de Nemours and Company.
Тефлонът, анализиран в тази работа, е доставен от ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Резултати от тестовете
А) Вискозно-еластични свойства
На фигура 1 са представени определените механични свойства E´, E´´ и tanδ. Стъпката в модула на съхранение при -131°C може да се припише на стъклопрехода на аморфната фаза. Между 20°C и 40°C се наблюдават два прехода твърдо тяло-твърдо тяло. Друга стъпка в кривата E´ се наблюдава при 115°C, което се дължи на преход твърдо-течно на аморфната фаза [1], понякога характеризиран и като стъклен преход [3], [4].
На фигура 2 е показан триизмерен график на многочестотно измерване (1, 2, 5 и 10 Hz). Вижда се, че tanδ нараства с честотата при дадена температура.
Б) Топлинно разширение, промяна на плътността
PTFE се разширява с постоянна скорост на разширение между -170°C и 20°C (фигура 3). При стайна температура е регистриран скок в термичното разширение, дължащ се на прехода твърдо тяло-твърдо тяло. Над фазовия преход топлинното разширение непрекъснато нараства с леко увеличаваща се скорост на разширяване.
Обемното разширение и промяната на плътността на PTFE са показани на фигура 4. Преходът твърдо тяло-твърдо тяло съответства на промяна на обема с повече от 1 %.
C) Термофизични свойства
Топлинна дифузия, промяна на плътността и специфична топлина
Топлинната дифузия, специфичната топлина и изменението на плътността на PTFE са показани на фигура 5. Дифузията непрекъснато намалява с температурата; това се очаква от физиката на твърдото тяло за фононната проводимост. Преходът твърдо тяло-твърдо тяло при RT може да бъде ясно идентифициран, докато другите преходи при -131°C и 115°C не се виждат.
Топлопроводимост
На фигура 6 е показана топлопроводимостта, изчислена с помощта на топлинната дифузия, специфичната топлина и плътността. В нискотемпературния диапазон топлопроводимостта е почти постоянна (0,32 Wm-1K-1). По време на фазовия преход между 10°C и 40°C коефициентът на топлопроводност намалява с повече от 10 % и дори при по-високи температури - след като сигналът се повиши отново - коефициентът на топлопроводност е значително по-нисък в сравнение с областта преди фазовата промяна.
Г) Термично разлагане, газов анализ
Зависимите от температурата промени на масата и сигналите на масспектрометъра са представени на фигури 7 и 8. PTFE не показва загуба на маса до началото на пиролитичното разлагане при 587°C. Масспектрометърът открива промяна в интензитета на йонния ток за масови номера 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 и 243. Тези масови номера показват типичните фрагменти на PTFE. Политетрафлуороетиленът се разлага напълно; в атмосферата на инертен газ не остава остатъчна маса.
Едновременно с TGA-MS беше извършено измерване на FT-IR. Колекция от всички открити ИЧ-спектри е показана като триизмерен куб на фигура 9. Освен това допълнително е включен сигналът от TGA в страничната страна на куба.
От този триизмерен график бяха извлечени единични спектри при температура, близка до максимума на видимите пикове (фигура 10), и бяха сравнени с данните от библиотеката. Бяха идентифицирани HF и тетрафлуороетилен.
Заключение
Бяха тествани различни термофизични и термомеханични свойства, за да се постигне по-добро разбиране на PTFE. Преходът твърдо тяло-твърдо тяло може да бъде идентифициран чрез всички използвани техники за термичен анализ. Само динамичният механичен анализ е в състояние да открие преходи, свързани с аморфната фаза.