Bevezetés
A politetraflouroetilén (PTFE) jól ismert a serpenyők és más edények tapadásmentes bevonataként való mindennapi alkalmazásából. A PTFE nagyon nem reagál, és nagyfokú vegyi ellenállást biztosít. E tulajdonságainak köszönhetően nemcsak az orvosi alkalmazásokban, hanem az iparban is használják, például a maró és reaktív vegyi anyagok tartályaiban és csővezetékeiben. PTFE-ből készülnek az olyan alkatrészek is, mint a csapágyak, perselyek és fogaskerekek, ahol csúszóhatásra van szükség.
A PTFE anyag termikus jellemzését különböző termikus analízis és termofizikai tulajdonságvizsgálati technikák alkalmazásával valósítottuk meg. A méréseket -170°C és 700°C között végezték (a módszertől függően). A hőtágulást és a sűrűségváltozást tolórúd-dilatometriával (DIL, pl. ASTM E831, DIN 51045 alapján) határozták meg. A viszkoelasztikus tulajdonságok (tárolási és Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus) elemzésére dinamikus mechanikai analízist (DMA) alkalmaztak. A termikus diffúziós képességet a lézeres hamuzási technikával (LFA, pl. ASTM E1461, DIN EN821 alapján) mértük. A hődiffúziós adatok kombinálása a fajhővel és a sűrűséggel lehetővé teszi a polimer Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének kiszámítását. A bomlási viselkedést egyidejű hőelemzéssel (STA, pl. ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 stb. alapján) vizsgálták. A keletkezett gázokat tömegspektrométerrel (QMS) és Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (FT-IR) elemezték.
A PTFE a teljes hőmérséklettartományban számos átmenetet mutat. 19 °C alatt jól rendezett triklin fázis jön létre, míg 19 °C és 30 °C között a PTFE részben rendezett hexagonális fázist képez. 30°C felett és az olvadáspontig (328°C) az anyag pszeudo-hexagonális, nagyon rendezetlen fázist mutat. További átmenetek találhatók -115°C és 131°C hőmérsékleten, amelyek az amorf fázisnak tulajdoníthatók [1]. Egyes irodalmi források (pl. [3], [4]) a 131°C-os fázisátalakulást üveges átmenetként írják le.
Politetraflouroetilén = PTFE
- Ismertebb nevén Teflon®*
- Roy Plunkett fedezte fel 1938-ban
- Molekuláris képlet: CnF2n+2
- Molekulatömeg: 100,02 g/mol
- SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. Sűrűség: 2,2 g/cm³
- Olvadáspont: 327°C
*A Teflon® az E.I. DuPont de Nemours and Company bejegyzett védjegye.
Az ebben a munkában elemzett PTFE-t az ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim szállította.
Teszteredmények
A) Viszkoelasztikus tulajdonságok
Az 1. ábra a meghatározott mechanikai tulajdonságokat E´, E´´ és tanδ mutatja be. A tárolási modulus -131°C-nál bekövetkező lépése az amorf fázis üvegesedésének tulajdonítható. Két szilárd-szilárd átmenet látható 20°C és 40°C között. Az E´ görbében egy másik lépést 115°C-on figyeltek meg, ami az amorf fázis szilárd-folyadék átmenetének köszönhető [1], amit néha üveges átmenetként is jellemeznek [3], [4].
A 2. ábrán egy többfrekvenciás (1, 2, 5 és 10 Hz) mérés 3D-s ábrája látható. Látható, hogy a tanδ adott hőmérsékleten a frekvenciával növekszik.
B) Hő tágulás, sűrűségváltozás
A PTFE -170°C és 20°C között állandó tágulási sebességgel tágul (3. ábra). Szobahőmérsékleten a szilárd-szilárd átmenet miatt ugrásszerű hőtágulást észleltünk. A FázisátmenetekA fázisátalakulás (vagy fázisváltás) kifejezést leggyakrabban a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotok közötti átmenetek leírására használják.fázisátmenet felett a hő tágulás folyamatosan növekszik, enyhén növekvő tágulási sebességgel.
A PTFE Volumetrikus tágulásEgy gáz, szilárd anyag vagy folyadék térfogata megváltozik, ha a hőmérséklet, a nyomás vagy a gázra/szilárd anyagra/folyadékra ható erők megváltoznak. A termikus analízis esetében a hőmérsékletfüggő változásokat vizsgáljuk.térfogattágulását és sűrűségváltozását a 4. ábra mutatja. A szilárd-szilárd átmenet több mint 1%-os térfogatváltozásnak felel meg.
Hődiffúziós képesség, sűrűségváltozás és fajhő
A PTFE Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét, fajhőjét és sűrűségváltozását az 5. ábra mutatja. A diffúziós képesség folyamatosan csökken a hőmérséklettel; ez a szilárdtestfizika alapján várható a fononvezetés esetében. A szilárd-szilárd átmenet RT-nél egyértelműen azonosítható, míg a többi átmenet -131°C-nál és 115°C-nál nem látható.
A 6. ábra a hővezetési tényező, a fajhő és a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség segítségével számított hővezetési tényezőt mutatja. Az alacsony hőmérsékleti tartományban a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség csaknem állandó (0,32 Wm-1K-1). A 10°C és 40°C közötti fázisátalakulás során a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség több mint 10%-kal csökken, és még magasabb hőmérsékleten is - miután a jel újra megemelkedett - a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség jelentősen alacsonyabb a fázisátalakulás előtti tartományhoz képest.
D) Termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás, gázelemzés
A tömegspektrométer hőmérsékletfüggő tömegváltozásait és jeleit a 7. és 8. ábra mutatja. A PTFE nem mutat tömegveszteséget, amíg a pirolitikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás 587 °C-on meg nem kezdődik. A tömegspektrométer a 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 és 243 tömegszámoknál változó ionáram-intenzitást észlelt. Ezek a tömegszámok a PTFE tipikus fragmentumait jelzik. A politetrafl uoroetilén teljesen elbomlik; az inert gáz atmoszférájában nem marad maradék tömeg.
A TGA-MS-sel egyidejűleg FT-IR mérést is végeztünk. Az összes detektált IR-spektrum gyűjteménye 3 dimenziós kockaként látható a 9. ábrán. Ezen kívül a kocka oldalfelületén lévő TGA-jel is szerepel.
Ebből a háromdimenziós ábrából a látható csúcsok maximumához közeli hőmérsékleten egyes spektrumokat vontunk ki (10. ábra), és összehasonlítottuk a könyvtári adatokkal. A HF és a tetrafluoretilén azonosítva lett.
Következtetés
A PTFE jobb megértése érdekében különböző termofizikai és termomechanikai tulajdonságokat vizsgáltak. A szilárd-szilárd átmenetet az összes alkalmazott hőelemzési technikával azonosítani lehetett. Csak a dinamikus mechanikai elemzés volt képes az amorf fázissal kapcsolatos átmeneteket kimutatni.