Introducción
El politetrafluoroetileno (PTFE) es bien conocido por su aplicación diaria como revestimiento antiadherente para sartenes y otros utensilios de cocina. El PTFE es muy poco reactivo y ofrece una gran resistencia química. Debido a estas propiedades, no sólo se utiliza en aplicaciones médicas, sino también en la industria como, por ejemplo, en recipientes y tuberías para productos químicos corrosivos y reactivos. También piezas como cojinetes, casquillos y engranajes, donde se necesita una acción deslizante, se fabrican con PTFE.
La caracterización térmica de un material de PTFE se llevó a cabo utilizando diversas técnicas de análisis térmico y pruebas de propiedades termofísicas. Las mediciones se llevaron a cabo entre -170°C y 700°C (dependiendo del método). La dilatación térmica y los cambios de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad se determinaron mediante dilatometría de varilla de empuje (DIL, basada, por ejemplo, en ASTM E831, DIN 51045). Se utilizó el análisis mecánico dinámico (AMD) para analizar las propiedades viscoelásticas (módulo de almacenamiento y de pérdida). La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se midió con la técnica de la ceniza fl láser (LFA, basada en, por ejemplo, ASTM E1461, DIN EN821. La combinación de los datos de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica con el calor específico y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad permite calcular la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica del polímero. El comportamiento de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición se estudió mediante análisis térmico simultáneo (STA, basado en, por ejemplo, ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007, etc.). Los gases evolucionados se analizaron mediante un espectrómetro de masas (QMS) y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR).
El PTFE presenta varias transiciones en todo el intervalo de temperaturas. Por debajo de 19°C, se obtiene una fase triclínica bien ordenada, mientras que entre 19°C y 30°C, el PTFE forma una fase hexagonal parcialmente ordenada. Por encima de 30°C y hasta el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión (328°C), el material muestra una fase pseudohexagonal, muy desordenada. Pueden encontrarse otras transiciones a -115°C y 131°C que pueden atribuirse a la fase amorfa [1]. Algunas fuentes bibliográficas (por ejemplo, [3], [4]) describen la transformación de fase a 131°C como una transición vítrea.
Politetrafluoroetileno = PTFE
- Más conocido como Teflon®*
- Descubierto por Roy Plunkett en 1938
- Fórmula molecular: CnF2n+2
- Masa molecular: 100,02 g/mol
- DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. Densidad: 2,2 g/cm³
- Punto de fusión: 327°C
*Teflon® es una marca registrada de E.I. DuPont de Nemours and Company.
El PTFE analizado en este trabajo fue suministrado por ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Resultados de las pruebas
A) Propiedades viscoelásticas
La figura 1 presenta las propiedades mecánicas determinadas E', E'' y tanδ. El paso en el módulo de almacenamiento a -131°C puede atribuirse a la transición vítrea de la fase amorfa. Se observan dos transiciones sólido-sólido entre 20°C y 40°C. Se observó otro escalón en la curva E' a 115°C debido a una transición sólido-líquido de la fase amorfa [1], a veces también caracterizada como transición vítrea [3], [4].
En la figura 2 se muestra un gráfico tridimensional de una medición multifrecuencia (1, 2, 5 y 10 Hz). Puede observarse que tanδ aumenta con la frecuencia a una temperatura dada.
B) Expansión térmica, cambio de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad
El PTFE se expande con una velocidad de expansión constante entre -170°C y 20°C (figura 3). Se detectó un salto en la expansión térmica a temperatura ambiente debido a la transición sólido-sólido. Por encima de la Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase, la expansión térmica aumenta continuamente con una tasa de expansión ligeramente creciente.
En la figura 4 se representa la Expansión volumétricaEl volumen de un gas, un sólido o un líquido cambia si cambian la temperatura, la presión o las fuerzas que actúan sobre ese gas/sólido/líquido. En el caso del análisis térmico, nos fijamos en los cambios dependientes de la temperatura.expansión volumétrica y el cambio de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad del PTFE. La transición sólido-sólido corresponde a un cambio de volumen superior al 1%.
Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.Difusividad térmica, cambio de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad y calor específico
En la figura 5 se muestran la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, el calor específico y el cambio de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad del PTFE. La difusividad disminuye continuamente con la temperatura; esto se espera de la física del estado sólido para la conducción de fonones. La transición sólido-sólido a RT puede identificarse claramente, mientras que las otras transiciones a -131°C y a 115°C no son visibles.
La figura 6 muestra la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica calculada mediante la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, el calor específico y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad. En el rango de bajas temperaturas, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica es casi constante (0,32 Wm-1K-1). Durante la Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase entre 10°C y 40°C, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica disminuye en más de un 10% e incluso a temperaturas más elevadas -después de que la señal vuelva a aumentar- la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica es significativamente inferior en comparación con la región anterior al cambio de fase.
D) Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. Descomposición térmica, análisis de gases
En las figuras 7 y 8 se representan los cambios de masa dependientes de la temperatura y las señales del espectrómetro de masas. El PTFE no muestra pérdida de masa hasta que comienza la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición pirolítica a 587°C. El espectrómetro de masas detectó intensidades de corriente iónica cambiantes para los números de masa 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 y 243. Estos números de masa indican fragmentos típicos de PTFE. Estos números de masa indican fragmentos típicos de PTFE. El politetrafl uoroetileno se descompone completamente; no queda masa residual en la atmósfera de gas inerte.
Simultáneamente al TGA-MS, se realizó una medición FT-IR. En la figura 9 se muestra una colección de todos los espectros IR detectados en forma de cubo tridimensional. Además, se incluye la señal TGA en la cara lateral del cubo.
A partir de este trazado tridimensional, se extrajeron espectros individuales a una temperatura cercana a los máximos de los picos visibles (figura 10) y se compararon con los datos de la biblioteca. Se identificaron el HF y el tetrafluoroetileno.
Conclusión
Se probaron varias propiedades termofísicas y termomecánicas para conocer mejor el PTFE. La transición sólido-sólido pudo identificarse mediante todas las técnicas de análisis térmico empleadas. Sólo el análisis mecánico dinámico pudo detectar transiciones relacionadas con la fase amorfa.