Johdanto
Polytetraflouroeteeni (PTFE) tunnetaan hyvin siitä, että sitä käytetään päivittäin paistinpannujen ja muiden keittoastioiden tarttumattomana pinnoitteena. PTFE on erittäin reagoimaton ja kestää hyvin kemikaaleja. Näiden ominaisuuksiensa ansiosta sitä käytetään lääketieteellisten sovellusten lisäksi myös teollisuudessa, esimerkiksi syövyttävien ja reaktiivisten kemikaalien säiliöissä ja putkistoissa. PTFE:stä valmistetaan myös sellaisia osia, kuten laakereita, holkkeja ja hammaspyöriä, joissa tarvitaan liukuvaa toimintaa.
PTFE-materiaalin terminen karakterisointi toteutettiin erilaisilla lämpöanalyysi- ja termofysikaalisten ominaisuuksien testausmenetelmillä. Mittaukset suoritettiin -170 °C:n ja 700 °C:n välillä (menetelmästä riippuen). Lämpölaajeneminen ja tiheyden muutokset määritettiin työntötankodilatometrialla (DIL, perustuu esim. ASTM E831:een ja DIN 51045:een). Viskoelastisten ominaisuuksien (varastointi- ja ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. häviömoduuli) analysoimiseksi käytettiin dynaamista mekaanista analyysiä (DMA). Lämpödiffuusiokyky mitattiin laser-tuhkatekniikalla (LFA, perustuu esimerkiksi ASTM E1461:een ja DIN EN821:een). Yhdistämällä lämpödiffuusiotiedot ominaislämpöön ja tiheyteen voidaan laskea polymeerin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Hajoamiskäyttäytymistä tutkittiin käyttämällä samanaikaista lämpöanalyysiä (STA, joka perustuu esimerkiksi ASTM E1131:een, ASTM D3850:een, DIN 51006:een, ISO 11357:ään, DIN 51004:ään, DIN 51007:ään jne.) Kehittyneet kaasut analysoitiin massaspektrometrillä (QMS) ja Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopialla (FT-IR).
PTFE:llä on useita siirtymiä koko lämpötila-alueella. Alle 19 °C:n lämpötilassa muodostuu hyvin järjestäytynyt trikliininen faasi, kun taas 19 °C:n ja 30 °C:n lämpötilojen välillä PTFE muodostaa osittain järjestäytyneen heksagonaalisen faasin. Yli 30 °C:n lämpötilan ja sulamispisteen (328 °C) yläpuolella materiaalissa on pseudoheksagonaalinen, hyvin epäjärjestyksessä oleva vaihe. Muita siirtymiä on havaittavissa -115 °C:n ja 131 °C:n lämpötiloissa, jotka voidaan katsoa amorfiseksi faasiksi [1]. Joissakin kirjallisuuslähteissä (esim. [3], [4]) kuvataan faasimuunnos 131 °C:ssa lasimuunnokseksi.
Polytetraflouroeteeni = PTFE
- Tunnetaan paremmin nimellä Teflon®*
- Roy Plunkett löysi sen vuonna 1938
- Molekyylikaava: CnF2n+2
- Molekyylimassa: 100,02 g/mol
- TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. Tiheys: 2,2 g/cm³
- Sulamispiste: 327 °C
*Teflon® on E.I. DuPont de Nemours and Companyn rekisteröity tavaramerkki.
Tässä työssä analysoidun PTFE:n toimitti ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Testitulokset
A) Viskoelastiset ominaisuudet
Kuvassa 1 esitetään määritetyt mekaaniset ominaisuudet E´, E´´ ja tanδ. Säilymismoduulin muutos -131 °C:ssa johtuu amorfisen faasin lasittumisesta. Kaksi kiinteä-kiinteä-siirtymää on havaittavissa 20 °C:n ja 40 °C:n välillä. Toinen askel E´-käyrässä havaittiin 115 °C:ssa, mikä johtui amorfisen faasin kiinteän ja nesteen välisestä siirtymästä [1], jota joskus luonnehditaan myös lasisiirtymäksi [3], [4].
Kuvassa 2 on esitetty kolmiulotteinen kuva monitaajuusmittauksesta (1, 2, 5 ja 10 Hz). Voidaan nähdä, että tanδ kasvaa taajuuden myötä tietyssä lämpötilassa.
B) Lämpölaajeneminen, tiheyden muutos
PTFE laajenee tasaisella laajenemisnopeudella -170 °C:n ja 20 °C:n välillä (kuva 3). Lämpölaajenemisessa havaittiin hyppäys huoneenlämpötilassa, joka johtuu kiinteä-kiinteä-siirtymästä. Faasisiirtymän yläpuolella lämpölaajeneminen lisääntyy jatkuvasti hieman kasvavalla laajenemisnopeudella.
PTFE:n Tilavuuden laajeneminenKaasun, kiinteän aineen tai nesteen tilavuus muuttuu, jos lämpötila, paine tai kaasuun, kiinteään aineeseen tai nesteeseen vaikuttavat voimat muuttuvat. Lämpöanalyysissä tarkastellaan lämpötilasta riippuvia muutoksia.tilavuuslaajeneminen ja tiheyden muutos on esitetty kuvassa 4. Kiinteä-kiinteä-siirtymä vastaa yli 1 prosentin tilavuuden muutosta.
C) Termofysikaaliset ominaisuudet
LämpöhajoavuusLämpödiffuusiokyky (a, yksikkö mm2/s) on materiaalikohtainen ominaisuus, jolla voidaan luonnehtia epävakaata lämmönjohtumista. Tämä arvo kuvaa sitä, kuinka nopeasti materiaali reagoi lämpötilan muutokseen.Lämpöhajoavuus, tiheyden muutos ja ominaislämpö
PTFE:n lämpödiffuusiokyky, ominaislämpö ja tiheyden muutos esitetään kuvassa 5. Diffusiviteetti pienenee jatkuvasti lämpötilan myötä; tämä on odotettavissa foniittisen johtumisen fysiikan perusteella. Kiinteä-kiinteä-siirtymä lämpötilassa RT on selvästi havaittavissa, kun taas muut siirtymät lämpötiloissa -131 °C ja 115 °C eivät ole näkyvissä.
Kuvassa 6 esitetään LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, joka on laskettu lämpödiffuusiokyvyn, ominaislämmön ja tiheyden avulla. Matalissa lämpötiloissa LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on lähes vakio (0,32 Wm-1K-1). Faasimuutoksen aikana 10 °C:n ja 40 °C:n välillä LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus laskee yli 10 %, ja jopa korkeammissa lämpötiloissa - signaalin nostamisen jälkeen uudelleen - LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on huomattavasti alhaisempi verrattuna faasimuutosta edeltävään alueeseen.
D) Terminen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen, kaasuanalyysi
Lämpötilasta riippuvat massamuutokset ja massaspektrometrin signaalit on esitetty kuvissa 7 ja 8. PTFE:ssä ei tapahdu massahäviötä ennen kuin pyrolyyttinen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen alkaa 587 °C:ssa. Massaspektrometri havaitsi ionivirran voimakkuuden muutoksia massanumeroiden 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 ja 243 kohdalla. Nämä massanumerot osoittavat tyypillisiä PTFE:n fragmentteja. Polytetrafl uoroeteeni hajoaa täysin; inertissä kaasuilmassa ei jää massajäämiä.
Samanaikaisesti TGA-MS:n kanssa tehtiin FT-IR-mittaus. Kaikkien havaittujen IR-spektrien kokoelma esitetään kolmiulotteisena kuutiona kuvassa 9. Kuution sivupinnan TGA-signaali on lisäksi sisällytetty kuvaan.
Tästä kolmiulotteisesta kuvaajasta poimittiin yksittäiset spektrit lämpötilassa, joka oli lähellä näkyvien piikkien maksimia (kuva 10), ja niitä verrattiin kirjaston tietoihin. HF ja tetrafluorieteeni tunnistettiin.
Päätelmä
Erilaisia termofysikaalisia ja termomekaanisia ominaisuuksia testattiin, jotta PTFE:stä saataisiin parempi käsitys. Kiinteä-kiinteä-siirtymä voitiin tunnistaa kaikilla käytetyillä lämpöanalyysitekniikoilla. Ainoastaan dynaamisella mekaanisella analyysillä pystyttiin havaitsemaan amorfiseen faasiin liittyvät siirtymät.