Introduction
Le polytétraflouroéthylène (PTFE) est bien connu pour son utilisation quotidienne en tant que revêtement antiadhésif pour les poêles à frire et autres ustensiles de cuisine. Le PTFE est très peu réactif et offre une grande résistance chimique. En raison de ces propriétés, il n'est pas seulement utilisé dans les applications médicales, mais aussi dans l'industrie, par exemple dans les conteneurs et les canalisations pour les produits chimiques corrosifs et réactifs. Le PTFE est également utilisé pour des pièces telles que les roulements, les bagues et les engrenages, qui nécessitent une action de glissement.
La caractérisation thermique d'un matériau PTFE a été réalisée à l'aide de diverses techniques d'analyse thermique et de test des propriétés thermophysiques. Les mesures ont été effectuées entre -170°C et 700°C (selon la méthode). La dilatation thermique et les changements de densité ont été déterminés au moyen de la dilatométrie à tige de poussée (DIL, basée, par exemple, sur ASTM E831, DIN 51045). L'analyse mécanique dynamique (DMA) a été utilisée pour analyser les propriétés viscoélastiques (module de stockage et de perte). La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a été mesurée à l'aide de la technique des cendres volantes au laser (LFA, basée sur, par exemple, ASTM E1461, DIN EN821). La combinaison des données de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique avec la chaleur et la densité spécifiques permet de calculer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du polymère. Le comportement de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition a été étudié à l'aide d'une analyse thermique simultanée (STA, basée par exemple sur ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007, etc.) Les gaz dégagés ont été analysés à l'aide d'un spectromètre de masse (QMS) et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR).
Le PTFE présente plusieurs transitions sur l'ensemble de la plage de température. En dessous de 19°C, on obtient une phase triclinique bien ordonnée, tandis qu'entre 19°C et 30°C, le PTFE forme une phase hexagonale partiellement ordonnée. Au-dessus de 30°C et jusqu'au Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion (328°C), le matériau présente une phase pseudo-hexagonale très désordonnée. D'autres transitions peuvent être trouvées à -115°C et 131°C, qui peuvent être attribuées à la phase amorphe [1]. Certaines sources bibliographiques (par exemple, [3], [4]) décrivent la transformation de phase à 131°C comme une transition vitreuse.
Polytétraflouroéthylène = PTFE
- Plus connu sous le nom de Teflon®*
- Découvert par Roy Plunkett en 1938
- Formule moléculaire : CnF2n+2
- Masse moléculaire : 100,02 g/mol
- Densité : 2,2 g/cm³
- Point de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion : 327°C
*Teflon® est une marque déposée de E.I. DuPont de Nemours and Company.
Le PTFE analysé dans ce travail a été fourni par ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Résultats des tests
A) Propriétés viscoélastiques
La figure 1 présente les propriétés mécaniques déterminées E', E'' et tanδ. L'augmentation du module de stockage à -131°C peut être attribuée à la transition vitreuse de la phase amorphe. Deux transitions solide-solide peuvent être observées entre 20°C et 40°C. Une autre étape dans la courbe E' a été observée à 115°C en raison d'une transition solide-liquide de la phase amorphe [1], parfois également caractérisée comme une transition vitreuse [3], [4].
Un tracé 3D d'une mesure multifréquence (1, 2, 5 et 10 Hz) est présenté à la figure 2. On constate que tanδ augmente avec la fréquence à une température donnée.
B) Dilatation thermique, changement de densité
Le PTFE se dilate avec un taux d'expansion constant entre -170°C et 20°C (figure 3). Un saut dans la dilatation thermique a été détecté à la température ambiante en raison de la transition solide-solide. Au-dessus de la Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase, l'expansion thermique augmente continuellement avec un taux d'expansion légèrement plus élevé.
L'Expansion volumétriqueLe volume d'un gaz, d'un solide ou d'un liquide change si la température, la pression ou les forces agissant sur ce gaz/solide/liquide changent. Dans le cas de l'analyse thermique, il s'agit de changements dépendant de la température.expansion volumétrique et la variation de densité du PTFE sont illustrées à la figure 4. La transition solide-solide correspond à une variation de volume de plus de 1 %.
Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.Diffusivité thermique, variation de densité et chaleur spécifique
La figure 5 présente la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, la chaleur spécifique et le changement de densité du PTFE. La diffusivité diminue continuellement avec la température, ce qui est attendu de la physique de l'état solide pour la conduction des phonons. La transition solide-solide à RT peut être clairement identifiée alors que les autres transitions à -131°C et à 115°C ne sont pas visibles.
La figure 6 montre la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique calculée à l'aide de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, de la chaleur spécifique et de la densité. Dans la gamme des basses températures, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est presque constante (0,32 Wm-1K-1). Pendant la Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase entre 10°C et 40°C, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique diminue de plus de 10% et même à des températures plus élevées - après une nouvelle augmentation du signal - la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est nettement inférieure à celle de la région précédant le changement de phase.
D) Décomposition thermique, analyse des gaz
Les changements de masse en fonction de la température et les signaux du spectromètre de masse sont représentés dans les figures 7 et 8. Le PTFE ne présente aucune perte de masse jusqu'à ce que la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition pyrolytique commence à 587°C. Le spectromètre de masse a détecté des changements d'intensité du courant ionique pour les numéros de masse 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 et 243. Ces numéros de masse indiquent des fragments typiques de PTFE. Le polytétrafl uoroéthylène se décompose complètement ; aucune masse résiduelle ne subsiste dans l'atmosphère de gaz inerte.
Simultanément à la TGA-MS, une mesure FT-IR a été effectuée. Un ensemble de tous les spectres IR détectés est représenté sous la forme d'un cube tridimensionnel dans la figure 9. En outre, le signal TGA sur la face latérale du cube est également inclus.
À partir de ce tracé 3D, des spectres uniques à une température proche des maxima des pics visibles ont été extraits (figure 10) et comparés aux données de la bibliothèque. Le HF et le tétrafluoroéthylène ont été identifiés.
Conclusion
Diverses propriétés thermophysiques et thermomécaniques ont été testées pour mieux comprendre le PTFE. La transition solide-solide a pu être identifiée par toutes les techniques d'analyse thermique utilisées. Seule l'analyse mécanique dynamique a permis de détecter les transitions liées à la phase amorphe.