はじめに
テフロン®としても知られるPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）は、化学薬品や熱に対する優れた耐性で知られる熱可塑性ポリマーである。PTFEは、調理器具、電気絶縁、医療機器、実験機器、潤滑剤、シール、ガスケットなどの様々な用途で一般的に使用されています。さらに、PTFEにフィラーを組み込んで特性を変えることもできる。例えば、熱的・機械的特性を向上させるためにガラスフィラーを添加することが多い。そのため、使用温度範囲全体を通して、未充填PTFEと充填PTFEの両方の熱挙動を理解することが不可欠である。
実験的
熱伝導率は、TCT 716 Lambda Guarded Heat Flow Meter (GHFM)を用いて測定した。この定常技術では、異なる温度に保たれた2枚のプレートの間に既知の厚さの試料を置き、試料中を熱が流れるようにする。試料の厚みを通る熱流が測定され、熱伝導率が計算される。
GHFM法が他の方法と一線を画すのは、従来から困難とされてきた試験片、例えば多層や複合材料などの非均質、異方性材料に特に有効だからです[1]。より標準的な均質材料に加え、GHFMは層状または充填材料（ガラス充填ポリマーなど）の熱伝導率も正確に測定することができます。
この研究では、2つの異なるメーカーからPTFE試料（表1）を入手し、そのうちの1つのメーカーから非充填PTFE試料とガラス繊維充填PTFE試料の両方を入手しました。各試験片の直径は約50mm、厚さは3mmであった。試料情報の要約を下表に示す。測定は約-10℃～200℃の温度範囲で実施し、校正はVespel® SP-1を用いて行いました。界面抵抗を最小限に抑えるため、試料と装置プレートの間にシリコーン熱接合コンパウンドを薄く塗布した。試験中、試験片には約175kPaの圧力が加えられた。
表1：試験片
| 試料1 | 試料2 | 試料3 | |
|---|---|---|---|
| 材質 | 未充填PTFE | 未充填PTFE | ガラス繊維入りPTFE |
| メーカー | A | B | B |
| 試料厚さ | 2.90 mm | 3.20 mm | 3.15 mm |
| 試料密度 | 2.118 g/cm³ | 2.166 g/cm³ | 2.172 g/cm³ |
結果と分析
試験した試料の温度に対する見かけの熱伝導率を図1に示します。製造業者Aの未充填試料（青色の曲線）とBの未充填試料（オレンジ色の曲線）は、室温で約0.27W/(m・K)という文献[2]から予想される値に一致しています。さらに、試料2は試料1よりも密度が高いため、熱伝導率も増加しています。予想通り、ガラス繊維フィラーを含む試料は、著しく高い熱伝導率を示す。さらに、PTFEは室温で固体-固体相転移を起こすことが知られており[3]、このことは、この温度領域における見かけの熱伝導率の顕著な変化からも明らかです。(この相転移領域では、熱は材料に吸収され、その影響は本アプリケーションノートの範囲外であることに留意されたい）。この相転移領域以上では、熱伝導率に対する温度上昇の影響は最小限です[4]。
概要
その結果、両メーカーの未充填試料は、文献情報に基づいて予想される未充填PTFEの熱伝導率値に一致した。密度の高い試料ほど高い熱伝導率を示し、ガラス繊維を充填した試料は熱伝導率が向上した。さらに、PTFEは室温で固体-固体相転移を起こし、これは熱伝導率の変化で明らかであった。この相転移以上では、熱伝導率に対する温度の影響はほとんど見られなかった。本研究の結果は、TCT 716 Lambda が、未充填および充填PTFEの熱特性の分析に非常に有効であることを示している。