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 716Lambda 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、試料を熱が流れるようにします。試料の厚みを通る熱流を測定し、熱伝導率を計算します。
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、層状または充填された材料（例えば、ガラス充填ポリマー）の熱伝導率を正確に測定することもできます。
この研究では、2つの異なるメーカーからPTFEサンプル（表1）を入手し、そのうちの1つのメーカーから非充填PTFEサンプルとガラス繊維充填PTFEサンプル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サーマルジョイント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 |
| サンプル厚さ | 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
試験サンプルの温度に対する見かけの熱伝導率の結果を図1に示します。メーカーAの未充填サンプル（青色の曲線）とメーカーBの未充填サンプル（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、サンプル2はサンプル1よりも密度が高く、それに伴って熱伝導率も高くなっています。予想通り、ガラス繊維フィラーを含むサンプルは、著しく高い熱伝導率を示している。さらに、PTFEは室温で固相-固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サンプルは、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。密度の高いサンプルはより高い熱伝導率を示し、ガラス繊維を充填したサンプルは熱伝導率の増加を示した。さらに、PTFEは室温で固-固相転移を起こし、熱伝導率の変化で明らかになった。この相転移以上では、熱伝導率に対する温度の影響は最小であった。本研究の結果は、TCT 716Lambda が、未充填および充填PTFEの両方の熱特性を分析するのに極めて有効であることを示している。