Introduktion
Polytetraflouroethylen (PTFE) er velkendt fra sin daglige anvendelse som ikke-klæbende belægning på stegepander og andet kogegrej. PTFE er meget ureaktivt og har en høj kemisk resistens. På grund af disse egenskaber bruges det ikke kun til medicinske formål, men også i industrien, f.eks. i beholdere og rør til ætsende og reaktive kemikalier. Også dele som lejer, bøsninger og tandhjul, hvor der er brug for glidevirkning, er lavet af PTFE.
Termisk karakterisering af et PTFE-materiale blev gennemført ved hjælp af forskellige teknikker til termisk analyse og test af termofysiske egenskaber. Målingerne blev udført mellem -170 °C og 700 °C (afhængigt af metoden). Den termiske ekspansion og densitetsændringer blev bestemt ved hjælp af trykstangsdilatometri (DIL, baseret på f.eks. ASTM E831, DIN 51045). Dynamisk mekanisk analyse (DMA) blev brugt til at analysere de viskoelastiske egenskaber (lagrings- og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul). Den termiske diffusivitet blev målt med laserflasketeknikken (LFA, baseret på f.eks. ASTM E1461, DIN EN821. Ved at kombinere data om Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet med specifik varme og densitet kan man beregne polymerens termiske ledningsevne. Nedbrydningsadfærden blev undersøgt ved hjælp af samtidig termisk analyse (STA, baseret på f.eks. ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 osv.) De udviklede gasser blev analyseret med et massespektrometer (QMS) og Fourier transform infrarød spektroskopi (FT-IR).
PTFE udviser flere overgange over hele temperaturområdet. Under 19 °C opnås en velordnet triklinisk fase, mens PTFE mellem 19 °C og 30 °C danner en delvist ordnet hexagonal fase. Over 30 °C og op til smeltepunktet (328 °C) viser materialet en pseudo-hexagonal, meget uordnet fase. Yderligere overgange kan findes ved -115 °C og 131 °C, som kan tilskrives den amorfe fase [1]. Nogle litteraturkilder (f.eks. [3], [4]) beskriver faseomdannelsen ved 131 °C som en glasovergang.
Polytetraflouroethylen = PTFE
- Bedre kendt som Teflon®*
- Opdaget af Roy Plunkett i 1938
- Molekylær formel: CnF2n+2
- Molekylær masse: 100,02 g/mol
- Massefylde: 2,2 g/cm³
- Smeltepunkt: 327°C
*Teflon® er et registreret varemærke tilhørende E.I. DuPont de Nemours and Company.
Den PTFE, der blev analyseret i dette arbejde, blev leveret af ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Testresultater
A) Viskoelastiske egenskaber
Figur 1 viser de bestemte mekaniske egenskaber E´, E´´ og tanδ. Trinnet i lagringsmodulet ved -131 °C kan tilskrives glasovergangen i den amorfe fase. To solid-solid-overgange kan ses mellem 20 °C og 40 °C. Et andet trin i E´-kurven blev observeret ved 115 °C på grund af en fast-væske-overgang i den amorfe fase [1], undertiden også karakteriseret som glasovergang [3], [4].
Et 3D-plot af en multifrekvensmåling (1, 2, 5 og 10 Hz) er vist i figur 2. Man kan se, at tanδ stiger med frekvensen ved en given temperatur.
B) Termisk ekspansion, ændring af densitet
PTFE udvider sig med en konstant ekspansionshastighed mellem -170 °C og 20 °C (figur 3). Der blev registreret et spring i den termiske udvidelse ved stuetemperatur på grund af overgangen mellem fast stof og fast form. Over faseovergangen øges den termiske ekspansion kontinuerligt med en let stigende ekspansionshastighed.
Den volumetriske udvidelse og densitetsændring af PTFE er vist i figur 4. Solid-solid-overgangen svarer til en volumenændring på mere end 1 %.
Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.Termisk diffusivitet, densitetsændring og specifik varme
Den termiske diffusivitet, specifikke varme og densitetsændring for PTFE er vist i figur 5. Diffusiviteten falder kontinuerligt med temperaturen; dette forventes ud fra faststoffysikken for fononledning. Solid-solid-overgangen ved RT kan tydeligt identificeres, mens de andre overgange ved -131 °C og 115 °C ikke er synlige.
Figur 6 viser varmeledningsevnen beregnet ved hjælp af varmediffusivitet, specifik varme og densitet. I lavtemperaturområdet er varmeledningsevnen næsten konstant (0,32 Wm-1K-1). Under faseovergangen mellem 10 °C og 40 °C falder varmeledningsevnen med mere end 10 %, og selv ved højere temperaturer - efter at signalet er steget igen - er varmeledningsevnen betydeligt lavere sammenlignet med området før faseændringen.
D) Termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, gasanalyse
De temperaturafhængige masseændringer og signaler fra massespektrometeret er afbildet i figur 7 og 8. PTFE viser intet massetab, før den pyrolytiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning starter ved 587 °C. Massespektrometeret registrerede skiftende ionstrømsintensiteter for massetal 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 og 243. Disse massetal angiver typiske fragmenter af PTFE. Polytetrafl uoroethylen nedbrydes fuldstændigt; der er ingen restmasse tilbage i inertgasatmosfæren.
Samtidig med TGA-MS blev der udført en FT-IR-måling. En samling af alle registrerede IR-spektre er vist som en 3-dimensionel terning i figur 9. Derudover er TGA-signalet på terningens sideflade også inkluderet.
Fra dette 3D-plot blev enkeltspektre ved en temperatur tæt på maksimum for de synlige toppe trukket ud (figur 10) og sammenlignet med biblioteksdata. HF og tetrafluorethylen blev identificeret.
Konklusion
Forskellige termofysiske og termomekaniske egenskaber blev testet for at få en bedre forståelse af PTFE. Solid-solid-overgangen kunne identificeres ved hjælp af alle anvendte termiske analyseteknikker. Kun dynamisk mekanisk analyse var i stand til at opdage overgange relateret til den amorfe fase.