Introdução
O politetrafluoretileno (PTFE) é bem conhecido por sua aplicação diária como revestimento antiaderente para frigideiras e outros utensílios de cozinha. O PTFE é muito pouco reativo e oferece alta resistência química. Devido a essas propriedades, ele não é usado apenas em aplicações médicas, mas também na indústria, como, por exemplo, em contêineres e tubulações para produtos químicos corrosivos e reativos. Além disso, peças como rolamentos, buchas e engrenagens, em que a ação de deslizamento é necessária, são feitas de PTFE.
A caracterização térmica de um material de PTFE foi realizada usando várias técnicas de análise térmica e de teste de propriedades termofísicas. As medições foram realizadas entre -170°C e 700°C (dependendo do método). A expansão térmica e as alterações de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade foram determinadas por meio de dilatometria de haste (DIL, com base em, por exemplo, ASTM E831, DIN 51045). A análise mecânica dinâmica (DMA) foi usada para analisar as propriedades viscoelásticas ( módulo de armazenamento e perda). A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica foi medida com a técnica de cinzas a laser (LFA, com base em, por exemplo, ASTM E1461, DIN EN821. A combinação de dados de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica com calor e DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade específicos permite o cálculo da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do polímero. O comportamento da Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição foi estudado usando a análise térmica simultânea (STA, baseada, por exemplo, em ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 etc.). Os gases evoluídos foram analisados por um espectrômetro de massa (QMS) e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR).
O PTFE apresenta várias transições em toda a faixa de temperatura. Abaixo de 19°C, obtém-se uma fase triclínica bem ordenada, enquanto entre 19°C e 30°C, o PTFE forma uma fase hexagonal parcialmente ordenada. Acima de 30°C e até o Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão (328°C), o material apresenta uma fase pseudo-hexagonal, muito desordenada. Outras transições podem ser encontradas a -115°C e 131°C, que podem ser atribuídas à fase amorfa [1]. Algumas fontes da literatura (por exemplo, [3], [4]) descrevem a transformação de fase a 131°C como uma transição vítrea.
Politetrafluoretileno = PTFE
- Mais conhecido como Teflon®*
- Descoberto por Roy Plunkett em 1938
- Fórmula molecular: CnF2n+2
- Massa molecular: 100,02 g/mol
- DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. Densidade: 2,2 g/cm³
- Ponto de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão: 327°C
*Teflon® é uma marca registrada da E.I. DuPont de Nemours and Company.
O PTFE analisado neste trabalho foi fornecido pela ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Resultados do teste
A) Propriedades viscoelásticas
A Figura 1 apresenta as propriedades mecânicas determinadas E', E'' e tanδ. A etapa no módulo de armazenamento a -131°C pode ser atribuída à transição vítrea da fase amorfa. Duas transições sólido-sólido podem ser observadas entre 20°C e 40°C. Outro degrau na curva E' foi observado a 115°C devido a uma transição sólido-líquido da fase amorfa [1], às vezes também caracterizada como transição vítrea [3], [4].
Um gráfico 3-D de uma medição de várias frequências (1, 2, 5 e 10 Hz) é mostrado na figura 2. É possível observar que tanδ está aumentando com a frequência em uma determinada temperatura.
B) Expansão térmica, mudança de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade
O PTFE se expande com uma taxa de expansão constante entre -170°C e 20°C (figura 3). Um salto na expansão térmica foi detectado à temperatura ambiente devido à transição sólido-sólido. Acima da Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase, a expansão térmica aumenta continuamente com uma taxa de expansão ligeiramente crescente.
A Expansão volumétricaO volume de um gás, sólido ou líquido muda se a temperatura, a pressão ou as forças que atuam sobre esse gás/sólido/líquido mudarem. No caso da análise térmica, estamos analisando as alterações dependentes da temperatura.expansão volumétrica e a mudança de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade do PTFE são mostradas na figura 4. A transição sólido-sólido corresponde a uma mudança de volume de mais de 1%.
Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.Difusividade térmica, mudança de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade e calor específico
A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, o calor específico e a mudança de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade do PTFE são exibidos na figura 5. A difusividade diminui continuamente com a temperatura; isso é esperado da física do estado sólido para a condução de fônons. A transição sólido-sólido em RT pode ser claramente identificada, enquanto as outras transições a -131°C e a 115°C não são visíveis.
A Figura 6 mostra a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica calculada por meio da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, do calor específico e da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade. Na faixa de baixa temperatura, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é quase constante (0,32 Wm-1K-1). Durante a Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase entre 10°C e 40°C, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica diminui em mais de 10% e, mesmo em temperaturas mais altas - depois que o sinal aumenta novamente -, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é significativamente menor em comparação com a região anterior à mudança de fase.
D) Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. Decomposição térmica, análise de gás
As alterações de massa dependentes da temperatura e os sinais do espectrômetro de massa são mostrados nas figuras 7 e 8. O PTFE não apresenta perda de massa até o início da Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição pirolítica a 587°C. O espectrômetro de massa detectou mudanças nas intensidades de corrente de íons para os números de massa 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 e 243. Esses números de massa indicam fragmentos típicos de PTFE. O politetrafl uoroetileno se decompõe completamente; nenhuma massa residual permanece na atmosfera de gás inerte.
Simultaneamente à TGA-MS, foi realizada uma medição FT-IR. Uma coleção de todos os espectros de IV detectados é mostrada como um cubo tridimensional na figura 9. Além disso, o sinal de TGA na face lateral do cubo também está incluído.
A partir desse gráfico 3D, foram extraídos espectros individuais em uma temperatura próxima aos máximos dos picos visíveis (figura 10) e comparados com os dados de library. O HF e o tetrafluoroetileno foram identificados.
Conclusão
Várias propriedades termofísicas e termomecânicas foram testadas para obter uma melhor compreensão do PTFE. A transição sólido-sólido pôde ser identificada por todas as técnicas de análise térmica empregadas. Somente a análise mecânica dinâmica foi capaz de detectar transições relacionadas à fase amorfa.