Εισαγωγή
Το PTFE (πολυτετραφθοροαιθυλένιο), επίσης γνωστό ως Teflon®, είναι ένα θερμοπλαστικό πολυμερές γνωστό για την εξαιρετική του αντοχή σε χημικές ουσίες και θερμότητα. Χρησιμοποιείται συνήθως σε διάφορες εφαρμογές, όπως μαγειρικά σκεύη, ηλεκτρική μόνωση, ιατρικός και εργαστηριακός εξοπλισμός, λιπαντικά, σφραγίδες και υλικά φλάντζας. Επιπλέον, στο PTFE μπορούν να ενσωματωθούν πληρωτικά υλικά για την τροποποίηση των ιδιοτήτων του. Για παράδειγμα, συχνά προστίθενται γυάλινα πληρωτικά για να βελτιωθούν τα θερμικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του. Ως εκ τούτου, η κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς τόσο του μη γεμισμένου όσο και του γεμισμένου PTFE σε όλο το εύρος των θερμοκρασιών λειτουργίας του είναι απαραίτητη.
Πειραματικό
Η θερμική αγωγιμότητα προσδιορίστηκε με τη χρήση του μετρητή ροής θερμότητας TCT 716 Lambda Guarded Heat Flow Meter (GHFM). Αυτή η τεχνική σταθερής κατάστασης περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενός δείγματος γνωστού πάχους μεταξύ δύο πλακών που διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, επιτρέποντας τη ροή θερμότητας μέσω του δείγματος. Η ροή θερμότητας μέσω του πάχους του δείγματος μετράται και στη συνέχεια υπολογίζεται η θερμική αγωγιμότητα.
Η μέθοδος GHFM ξεχωρίζει από άλλες μεθόδους επειδή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για παραδοσιακά δύσκολα δείγματα, για παράδειγμα μη ομοιογενή, ανισότροπα υλικά, όπως δείγματα πολλαπλών στρώσεων και σύνθετα δείγματα [1]. Εκτός από τα πιο τυποποιημένα ομοιογενή υλικά, η GHFM είναι επίσης σε θέση να προσδιορίσει με ακρίβεια τη θερμική αγωγιμότητα στρωματοποιημένων ή πληρωμένων υλικών (π.χ. πολυμερή με γέμιση γυαλιού).
Για την παρούσα μελέτη, ελήφθησαν δείγματα PTFE (πίνακας 1) από δύο διαφορετικούς κατασκευαστές, συμπεριλαμβανομένου ενός δείγματος PTFE χωρίς πλήρωση και ενός δείγματος PTFE με πλήρωση υαλοϊνών από έναν από τους κατασκευαστές. Κάθε δοκίμιο είχε διάμετρο περίπου 50 mm και πάχος 3 mm. Μια περίληψη των πληροφοριών του δείγματος παρέχεται στον παρακάτω πίνακα. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε εύρος θερμοκρασιών από περίπου -10°C έως 200°C και η βαθμονόμηση έγινε με τη χρήση Vespel® SP-1. Μεταξύ των δειγμάτων και των πλακών του οργάνου εφαρμόστηκε ένα λεπτό στρώμα θερμικής ένωσης σιλικόνης για την ελαχιστοποίηση της διεπιφανειακής αντίστασης. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής εφαρμόστηκε στα δοκίμια πίεση περίπου 175 kPa.
Πίνακας 1: Δείγματα δοκιμής
| Δείγμα 1 | Δείγμα 2 | Δείγμα 3 | |
|---|---|---|---|
| Υλικό | Μη πληρωμένο PTFE | Μη γεμισμένο PTFE | PTFE με ίνες γυαλιού |
| Κατασκευαστής | A | B | B |
| Πάχος δείγματος | 2.90 mm | 3.20 mm | 3.15 mm |
| Πυκνότητα δείγματος | 2.118 g/cm³ | 2.166 g/cm³ | 2.172 g/cm³ |
Αποτελέσματα και ανάλυση
Τα αποτελέσματα της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με τη θερμοκρασία για τα δοκιμασθέντα δείγματα παρουσιάζονται στο σχήμα 1. Τα μη γεμισμένα δείγματα των κατασκευαστών Α (μπλε καμπύλη) και Β (πορτοκαλί καμπύλη) ευθυγραμμίζονται με τις αναμενόμενες τιμές από τη βιβλιογραφία, οι οποίες είναι περίπου 0,27 W/(m-K) σε θερμοκρασία δωματίου [2]. Επιπλέον, το δείγμα 2 έχει υψηλότερη πυκνότητα από το δείγμα 1, οδηγώντας σε αντίστοιχη αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας. Όπως αναμενόταν, το δείγμα με υλικό πλήρωσης από ίνες γυαλιού παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι το PTFE υφίσταται μετάβαση φάσης στερεού-στερεού σε θερμοκρασία δωματίου [3], η οποία είναι εμφανής στην αξιοσημείωτη αλλαγή της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας σε αυτή τη θερμοκρασιακή περιοχή. (Θα πρέπει να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια αυτής της περιοχής μετάβασης φάσης, το υλικό απορροφά θερμότητα, τα αποτελέσματα της οποίας δεν εμπίπτουν στο πεδίο εφαρμογής του παρόντος σημειώματος). Πάνω από αυτή την περιοχή μετάβασης φάσης, η επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας στη θερμική αγωγιμότητα είναι ελάχιστη [4].
Περίληψη
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα μη πληρωμένα δείγματα και από τους δύο κατασκευαστές ευθυγραμμίστηκαν με τις αναμενόμενες τιμές θερμικής αγωγιμότητας του μη πληρωμένου PTFE βάσει βιβλιογραφικών πηγών. Το δείγμα με υψηλότερη πυκνότητα παρουσίασε υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και το δείγμα με πλήρωση υαλοϊνών παρουσίασε αυξημένη θερμική αγωγιμότητα. Επιπλέον, το PTFE υπέστη μια μετάβαση φάσης στερεού-στερεού σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία ήταν εμφανής στη μεταβολή της θερμικής αγωγιμότητας. Πάνω από αυτή τη μετάβαση φάσης, η επίδραση της θερμοκρασίας στη θερμική αγωγιμότητα ήταν ελάχιστη. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης καταδεικνύουν ότι το TCT 716 Lambda είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό για την ανάλυση των θερμικών ιδιοτήτων τόσο του μη γεμισμένου όσο και του γεμισμένου PTFE.