Úvod
PTFE (polytetrafluorethylen), známý také jako teflon®, je termoplastický polymer známý svou vynikající odolností vůči chemikáliím a teplu. Běžně se používá v různých aplikacích, jako je kuchyňské nádobí, elektrická izolace, lékařské a laboratorní vybavení, maziva, těsnění a těsnicí materiály. Kromě toho lze do PTFE přidávat plniva, která upravují jeho vlastnosti. Často se například přidávají skleněná plniva, která zlepšují jeho tepelné a mechanické vlastnosti. Proto je nezbytné porozumět tepelnému chování PTFE bez náplně i s náplní v celém rozsahu provozních teplot.
Experimentální
Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost byla stanovena pomocí přístroje TCT 716 Lambda Guarded Heat Flow Meter (GHFM). Tato technika v ustáleném stavu spočívá v umístění vzorku o známé tloušťce mezi dvě desky udržované při různých teplotách, což umožňuje proudění tepla vzorkem. Měří se tepelný tok přes tloušťku vzorku a následně se vypočítá Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost.
Metoda GHFM se odlišuje od ostatních metod, protože je zvláště účinná pro tradičně náročné vzorky, například nehomogenní, anizotropní materiály, jako jsou vícevrstvé a kompozitní vzorky [1]. Kromě standardnějších homogenních materiálů je metoda GHFM schopna přesně stanovit tepelnou vodivost vrstvených nebo plněných materiálů (např. polymerů plněných sklem).
Pro tuto studii byly získány vzorky PTFE (tabulka 1) od dvou různých výrobců, včetně vzorku PTFE bez výplně a vzorku PTFE plněného skleněnými vlákny od jednoho z výrobců. Každý zkušební vzorek měl průměr přibližně 50 mm a tloušťku 3 mm. Souhrn informací o vzorku je uveden v následující tabulce. Měření probíhala v teplotním rozsahu přibližně od -10 °C do 200 °C a kalibrace byla provedena pomocí materiálu Vespel® SP-1. Mezi vzorky a desky přístroje byla nanesena tenká vrstva silikonové tepelné spojovací hmoty, aby se minimalizoval mezifázový odpor. Během testování byl na vzorky vyvíjen tlak přibližně 175 kPa.
Tabulka 1: Zkušební vzorky
| Vzorek 1 | Vzorek 2 | Vzorek 3 | |
|---|---|---|---|
| Materiál | Neplněný PTFE | Neplněný PTFE | PTFE plněný skleněnými vlákny |
| Výrobce | A | B | B |
| Tloušťka vzorku | 2.90 mm | 3.20 mm | 3.15 mm |
| HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota vzorku | 2.118 g/cm³ | 2.166 g/cm³ | 2.172 g/cm³ |
Výsledky a analýza
Výsledky zdánlivé tepelné vodivosti v závislosti na teplotě pro testované vzorky jsou uvedeny na obrázku 1. Neplněné vzorky výrobců A (modrá křivka) a B (oranžová křivka) odpovídají očekávaným hodnotám z literatury, které jsou přibližně 0,27 W/(m-K) při pokojové teplotě [2]. Vzorek 2 má navíc vyšší hustotu než vzorek 1, což vede k odpovídajícímu zvýšení tepelné vodivosti. Podle očekávání vykazuje vzorek s plnivem ze skleněných vláken výrazně vyšší tepelnou vodivost. Kromě toho je známo, že PTFE při pokojové teplotě prochází fázovým přechodem z pevné do tuhé fáze [3], což je patrné z výrazné změny zdánlivé tepelné vodivosti v této teplotní oblasti. (Je třeba poznamenat, že během této oblasti fázového přechodu dochází k absorpci tepla materiálem, jejíž účinky nejsou předmětem této aplikační poznámky). Nad touto oblastí fázového přechodu je vliv zvýšení teploty na tepelnou vodivost minimální [4].
Souhrn
Výsledky ukázaly, že neplněné vzorky od obou výrobců odpovídají očekávaným hodnotám tepelné vodivosti neplněného PTFE na základě literárních zdrojů. Vzorek s vyšší hustotou vykazoval vyšší tepelnou vodivost a vzorek plněný skleněnými vlákny vykazoval zvýšenou tepelnou vodivost. PTFE navíc při pokojové teplotě procházel fázovým přechodem z pevné do pevné fáze, což se projevilo změnou tepelné vodivosti. Nad tímto fázovým přechodem byl vliv teploty na tepelnou vodivost minimální. Výsledky této studie ukazují, že TCT 716 Lambda je velmi efektivní pro analýzu tepelných vlastností jak neplněného, tak plněného PTFE.