Inleiding
Polytetraflouroethyleen (PTFE) is bekend van de dagelijkse toepassing als antiaanbaklaag voor koekenpannen en ander kookgerei. PTFE is zeer niet-reactief en biedt een hoge chemische weerstand. Vanwege deze eigenschappen wordt het niet alleen gebruikt in medische toepassingen, maar ook in de industrie, bijvoorbeeld in containers en leidingen voor corrosieve en reactieve chemicaliën. Ook onderdelen zoals lagers, bussen en tandwielen, waar een glijdende werking nodig is, worden van PTFE gemaakt.
De thermische karakterisering van een PTFE-materiaal werd uitgevoerd met behulp van verschillende thermische analyse- en thermofysische eigenschappen-testtechnieken. Er werden metingen uitgevoerd tussen -170°C en 700°C (afhankelijk van de methode). De thermische uitzetting en dichtheidsveranderingen werden bepaald met pushrod dilatometrie (DIL, gebaseerd op bijvoorbeeld ASTM E831, DIN 51045). Dynamische mechanische analyse (DMA) werd gebruikt om de visco-elastische eigenschappen (opslag- en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus) te analyseren. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie werd gemeten met de laser fl ash techniek (LFA, gebaseerd op bijvoorbeeld ASTM E1461, DIN EN821. Door de gegevens van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie te combineren met de specifieke warmte en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het polymeer worden berekend. Het ontledingsgedrag werd bestudeerd met behulp van simultane thermische analyse (STA, gebaseerd op bijvoorbeeld ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007, enz.) De geëvolueerde gassen werden geanalyseerd met een massaspectrometer (QMS) en Fourier transform infrarood spectroscopie (FT-IR).
PTFE vertoont verschillende overgangen over het hele temperatuurbereik. Onder 19 °C wordt een goed geordende trikliene fase verkregen, terwijl PTFE tussen 19 °C en 30 °C een gedeeltelijk geordende hexagonale fase vormt. Boven 30 °C en tot het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt (328 °C) vertoont het materiaal een pseudo-hexagonale, zeer ongeordende fase. Verdere overgangen kunnen gevonden worden bij -115°C en 131°C die toegeschreven kunnen worden aan de amorfe fase [1]. Sommige literatuurbronnen (bijv. [3], [4]) beschrijven de fasetransformatie bij 131°C als een GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang.
Polytetraflouroethyleen = PTFE
- Beter bekend als Teflon®*
- Ontdekt door Roy Plunkett in 1938
- Molecuulformule: CnF2n+2
- Moleculaire massa: 100,02 g/mol
- DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. Dichtheid: 2,2 g/cm³
- Smeltpunt: 327°C
*Teflon® is een gedeponeerd handelsmerk van E.I. DuPont de Nemours and Company.
Het in dit werk geanalyseerde PTFE werd geleverd door ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Testresultaten
A) Visco-elastische eigenschappen
Figuur 1 toont de bepaalde mechanische eigenschappen E´, E´´ en tanδ. De stap in de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus bij -131°C kan worden toegeschreven aan de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang van de amorfe fase. Er zijn twee vast-vaste fase overgangen te zien tussen 20°C en 40°C. Een andere stap in de E´ curve werd waargenomen bij 115°C door een vast-vloeistof overgang van de amorfe fase [1], soms ook gekarakteriseerd als GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang [3], [4].
Een 3D-plot van een multifrequentiemeting (1, 2, 5 en 10 Hz) wordt getoond in figuur 2. Te zien is dat tanδ toeneemt met de frequentie bij een gegeven temperatuur.
B) Thermische uitzetting, verandering van DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid
PTFE zet uit met een constante uitzettingssnelheid tussen -170 °C en 20 °C (figuur 3). Er werd een sprong in de thermische uitzetting waargenomen bij kamertemperatuur als gevolg van de vast-vaste fase overgang. Boven de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang neemt de thermische uitzetting continu toe met een licht toenemende uitzettingssnelheid.
De Volumetrische expansieHet volume van een gas, vaste stof of vloeistof verandert als de temperatuur, de druk of de krachten die op dat gas/vaste stof/vloeistof inwerken, veranderen. In het geval van thermische analyse kijken we naar temperatuurafhankelijke veranderingen.volumetrische uitzetting en dichtheidsverandering van PTFE worden weergegeven in figuur 4. De overgang vast/vaste stof komt overeen met een volumeverandering van meer dan 1%.
C) Thermofysische eigenschappen
Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.Thermische diffusie, dichtheidsverandering en soortelijke warmte
De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, soortelijke warmte en dichtheidsverandering van PTFE worden weergegeven in figuur 5. De diffusie neemt continu af met de temperatuur; dit wordt verwacht op grond van de fysica van de vaste stof voor fonongeleiding. De overgang vast/vaste stof bij RT kan duidelijk worden geïdentificeerd, terwijl de andere overgangen bij -131°C en bij 115°C niet zichtbaar zijn.
Warmtegeleidingscoëfficiënt
Figuur 6 toont de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid berekend met behulp van Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, soortelijke warmte en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid. In het lage temperatuurbereik is de warmtegeleidbaarheid bijna constant (0,32 Wm-1K-1). Tijdens de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang tussen 10°C en 40°C neemt de warmtegeleidbaarheid met meer dan 10% af en zelfs bij hogere temperaturen - nadat het signaal weer is toegenomen - is de warmtegeleidbaarheid aanzienlijk lager vergeleken met het gebied vóór de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang.
D) Thermische ontleding, gasanalyse
De temperatuurafhankelijke massaveranderingen en signalen van de massaspectrometer worden weergegeven in figuur 7 en 8. PTFE vertoont geen massaverlies totdat de pyrolytische ontleding begint bij 587 °C. De massaspectrometer detecteerde veranderende ionenstroomintensiteiten voor de massanummers 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 en 243. Deze massanummers duiden op typische fragmenten van PTFE. Deze massanummers geven typische fragmenten van PTFE aan. Polytetrafl uoroethyleen ontleedt volledig; er blijft geen restmassa achter in de inerte gasatmosfeer.
Tegelijkertijd met de TGA-MS werd een FT-IR meting uitgevoerd. Een verzameling van alle gedetecteerde IR-spectra wordt weergegeven als een 3-dimensionale kubus in figuur 9. Bovendien is het TGA-signaal aan de zijkant van de kubus toegevoegd.
Uit deze 3D-plot werden afzonderlijke spectra bij een temperatuur dicht bij de maxima van de zichtbare pieken geëxtraheerd (figuur 10) en vergeleken met bibliotheekgegevens. HF en tetrafluorethyleen werden geïdentificeerd.
Conclusie
Verschillende thermofysische en thermomechanische eigenschappen werden getest om PTFE beter te begrijpen. De overgang vast/vaste stof kon worden geïdentificeerd met alle gebruikte thermische analysetechnieken. Alleen dynamische mechanische analyse was in staat om overgangen met betrekking tot de amorfe fase te detecteren.