Wprowadzenie
Politetraflouroetylen (PTFE) jest dobrze znany z codziennego stosowania jako nieprzywierająca powłoka do patelni i innych naczyń kuchennych. PTFE jest bardzo niereaktywny i zapewnia wysoką odporność chemiczną. Ze względu na te właściwości jest wykorzystywany nie tylko w zastosowaniach medycznych, ale także w przemyśle, na przykład w pojemnikach i rurociągach do korozyjnych i reaktywnych chemikaliów. Również części takie jak łożyska, tuleje i koła zębate, w których wymagane jest działanie ślizgowe, są wykonane z PTFE.
Charakterystykę termiczną materiału PTFE przeprowadzono przy użyciu różnych technik analizy termicznej i badań właściwości termofizycznych. Pomiary przeprowadzono w zakresie od -170°C do 700°C (w zależności od metody). Zmiany rozszerzalności cieplnej i gęstości określono za pomocą dylatometrii pushrod (DIL, w oparciu np. o ASTM E831, DIN 51045). Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) została wykorzystana do analizy właściwości lepkosprężystych (Elastyczność i moduł sprężystościElastyczność gumy lub elastyczność entropijna opisuje odporność dowolnego układu gumy lub elastomeru na zewnętrznie przyłożone odkształcenie lub naprężenie. moduł magazynowania i stratności). Dyfuzyjność cieplna została zmierzona za pomocą techniki laserowej (LFA, w oparciu np. o ASTM E1461, DIN EN821). Połączenie danych dyfuzyjności cieplnej z ciepłem właściwym i gęstością pozwala na obliczenie przewodności cieplnej polimeru. Zachowanie rozkładu badano za pomocą jednoczesnej analizy termicznej (STA, w oparciu np. o ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 itp.) Wydzielone gazy analizowano za pomocą spektrometru masowego (QMS) i spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR).
PTFE wykazuje kilka przejść w całym zakresie temperatur. Poniżej 19 ° C uzyskuje się dobrze uporządkowaną fazę triclinic, podczas gdy między 19 ° C a 30 ° C PTFE tworzy częściowo uporządkowaną fazę heksagonalną. Powyżej 30°C i do temperatury topnienia (328°C) materiał wykazuje pseudoheksagonalną, bardzo nieuporządkowaną fazę. Dalsze przejścia można znaleźć w temperaturach -115°C i 131°C, które można przypisać fazie amorficznej [1]. Niektóre źródła literaturowe (np. [3], [4]) opisują przemianę fazową w 131°C jakoPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste.
Politetraflouroetylen = PTFE
- Lepiej znany jako Teflon®*
- Odkryty przez Roya Plunketta w 1938 r
- Wzór cząsteczkowy: CnF2n+2
- Masa cząsteczkowa: 100,02 g/mol
- Gęstość: 2,2 g/cm³
- Temperatura topnienia: 327°C
*Teflon® jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy E.I. DuPont de Nemours and Company.
PTFE analizowany w tej pracy został dostarczony przez ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Wyniki testów
A) Właściwości lepkosprężyste
Rysunek 1 przedstawia wyznaczone właściwości mechaniczne E´, E´´ i tanδ. Skok modułu sprężystości przy -131°C można przypisać zeszkleniu fazy amorficznej. Dwa przejścia ciało stałe-ciało stałe można zaobserwować między 20°C a 40°C. Kolejny krok w krzywej E´ zaobserwowano w temperaturze 115°C z powodu przejścia fazy amorficznej w ciało stałe [1], czasami określanego również jakoPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste [3], [4].
Wykres 3-D pomiaru wieloczęstotliwościowego (1, 2, 5 i 10 Hz) pokazano na rysunku 2. Można zauważyć, że tanδ rośnie wraz z częstotliwością w danej temperaturze.
B) Rozszerzalność cieplna, zmiana gęstości
PTFE rozszerza się ze stałą szybkością w zakresie od -170°C do 20°C (rysunek 3). Skok rozszerzalności cieplnej wykryto w temperaturze pokojowej z powodu przejścia ciało stałe-ciało stałe. Powyżej przejścia fazowego rozszerzalność cieplna stale rośnie wraz z nieznacznie rosnącą szybkością rozszerzania.
Rozszerzalność objętościowaObjętość gazu, ciała stałego lub cieczy zmienia się, jeśli zmienia się temperatura, ciśnienie lub siły działające na ten gaz/ciało stałe/ciecz. W przypadku analizy termicznej analizujemy zmiany zależne od temperatury.Rozszerzalność objętościowa i zmiana gęstości PTFE są przedstawione na rysunku 4. Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście ciało stałe-ciało stałe odpowiada zmianie objętości o ponad 1%.
Dyfuzyjność cieplna, zmiana gęstości i ciepło właściwe
Dyfuzyjność cieplna, ciepło właściwe i zmiana gęstości PTFE są przedstawione na rysunku 5. Dyfuzyjność stale maleje wraz z temperaturą; jest to oczekiwane na podstawie fizyki ciała stałego dla przewodnictwa fononowego. Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście ciało stałe-ciało stałe w temperaturze RT można wyraźnie zidentyfikować, podczas gdy inne przejścia w temperaturze -131 ° C i 115 ° C nie są widoczne.
Rysunek 6 przedstawia przewodność cieplną obliczoną za pomocą dyfuzyjności cieplnej, ciepła właściwego i gęstości. W zakresie niskich temperatur Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest prawie stała (0,32 Wm-1K-1). Podczas przejścia fazowego między 10°C a 40°C Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna spada o ponad 10%, a nawet w wyższych temperaturach - po ponownym podniesieniu sygnału - Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest znacznie niższa w porównaniu z obszarem przed zmianą fazy.
D) Rozkład termiczny, analiza gazu
Zależne od temperatury zmiany masy i sygnały spektrometru masowego przedstawiono na rysunkach 7 i 8. PTFE nie wykazuje ubytku masy do momentu rozpoczęcia rozkładu pirolitycznego w temperaturze 587°C. Spektrometr masowy wykrył zmieniające się natężenia prądu jonów dla liczb masowych 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 i 243. Te liczby masowe wskazują na typowe fragmenty PTFE. Politetrafl uoroetylen ulega całkowitemu rozkładowi; w atmosferze gazu obojętnego nie pozostaje żadna masa resztkowa.
Równocześnie z pomiarem TGA-MS przeprowadzono pomiar FT-IR. Zbiór wszystkich wykrytych widm IR przedstawiono jako trójwymiarowy sześcian na rysunku 9. Dodatkowo uwzględniono sygnał TGA na bocznej powierzchni sześcianu.
Z tego wykresu 3-D wyodrębniono pojedyncze widma w temperaturze zbliżonej do maksimów pików widzialnych (rysunek 10) i porównano je z danymi library. Zidentyfikowano HF i tetrafluoroetylen.
Wnioski
W celu lepszego zrozumienia PTFE przetestowano różne właściwości termofizyczne i termomechaniczne. Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście ciało stałe-ciało stałe można było zidentyfikować za pomocą wszystkich zastosowanych technik analizy termicznej. Tylko dynamiczna analiza mechaniczna była w stanie wykryć przejścia związane z fazą amorficzną.