Introducere
Politetraflouroetilena (PTFE) este bine cunoscută datorită aplicării sale zilnice ca strat antiaderent pentru tigăi și alte vase de gătit. PTFE este foarte puțin reactivă și oferă o rezistență chimică ridicată. Datorită acestor proprietăți, este utilizată nu numai în aplicații medicale, ci și în industrie, cum ar fi, de exemplu, în containere și conducte pentru substanțe chimice corozive și reactive. De asemenea, piese precum rulmenți, bucșe și angrenaje, unde este necesară acțiunea de alunecare, sunt realizate din PTFE.
Caracterizarea termică a unui material PTFE a fost realizată utilizând diverse tehnici de analiză termică și de testare a proprietăților termofizice. Măsurătorile au fost efectuate între -170°C și 700°C (în funcție de metodă). Expansiunea termică și modificările densității au fost determinate cu ajutorul dilatometriei pushrod (DIL, bazată, de exemplu, pe ASTM E831, DIN 51045). Analiza mecanică dinamică (DMA) a fost utilizată pentru a analiza proprietățile viscoelastice (Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare și modulul de pierdere). Difuzivitatea termică a fost măsurată cu tehnica laser fl ash (LFA, bazată, de exemplu, pe ASTM E1461, DIN EN821. Combinarea datelor privind difuzivitatea termică cu căldura specifică și densitatea permite calcularea conductivității termice a polimerului. Comportamentul de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere a fost studiat utilizând analiza termică simultană (STA, bazată, de exemplu, pe ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007 etc.). Gazele evoluate au fost analizate cu ajutorul unui spectrometru de masă (QMS) și al spectroscopiei în infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR).
PTFE prezintă mai multe tranziții pe întregul interval de temperatură. Sub 19°C, se obține o fază triclinică bine ordonată, în timp ce între 19°C și 30°C, PTFE formează o fază hexagonală parțial ordonată. Peste 30°C și până la punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire (328°C), materialul prezintă o fază pseudo-hexagonală, foarte dezordonată. Alte tranziții pot fi găsite la -115°C și 131°C, care pot fi atribuite fazei amorfe [1]. Unele surse bibliografice (de exemplu, [3], [4]) descriu transformarea de fază de la 131°C ca fiind o tranziție vitroasă.
Politetraflouroetilenă = PTFE
- Mai bine cunoscut sub numele de Teflon®*
- Descoperit de Roy Plunkett în 1938
- Formulă moleculară: CnF2n+2
- Masa moleculară: 100,02 g/mol
- DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. Densitate: 2,2 g/cm³
- Punct de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire: 327°C
*Teflon® este o marcă înregistrată a E.I. DuPont de Nemours and Company.
PTFE analizat în această lucrare a fost furnizat de ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Rezultatele testelor
A) Proprietăți vâscoelastice
Figura 1 prezintă proprietățile mecanice determinate E´, E´´ și tanδ. Pasul în Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare la -131°C poate fi atribuit tranziției vitroase a fazei amorfe. Două tranziții solid-solid pot fi observate între 20°C și 40°C. Un alt pas în curba E´ a fost observat la 115°C datorită unei tranziții solid-lichid a fazei amorfe [1], uneori caracterizată și ca tranziție vitroasă [3], [4].
În figura 2 este prezentat un grafic 3-D al unei măsurători multifrecvență (1, 2, 5 și 10 Hz). Se poate observa că tanδ crește cu frecvența la o temperatură dată.
B) Expansiunea termică, schimbarea densității
PTFE se dilată cu o rată constantă de expansiune între -170°C și 20°C (figura 3). Un salt în expansiunea termică a fost detectat la temperatura camerei datorită tranziției solid-solid. Peste tranziția de fază, expansiunea termică crește continuu, cu o rată de expansiune în ușoară creștere.
Expansiunea volumetrică și modificarea densității PTFE sunt descrise în figura 4. Tranziția solid-solid corespunde unei modificări de volum de peste 1%.
Difuzivitatea termică, modificarea densității și căldura specifică
Difuzivitatea termică, căldura specifică și modificarea densității PTFE sunt prezentate în figura 5. Difuzivitatea scade continuu cu temperatura; acest lucru este de așteptat din fizica stării solide pentru conducerea fononilor. Tranziția solid-solid la RT poate fi identificată clar, în timp ce celelalte tranziții la -131°C și 115°C nu sunt vizibile.
Conductivitatea termică
Figura 6 prezintă conductivitatea termică calculată cu ajutorul difuzivității termice, căldurii specifice și densității. În domeniul temperaturilor scăzute, conductivitatea termică este aproape constantă (0,32 Wm-1K-1). În timpul tranziției de fază între 10°C și 40°C, conductivitatea termică scade cu mai mult de 10% și chiar și la temperaturi mai ridicate - după ce semnalul a crescut din nou - conductivitatea termică este semnificativ mai mică în comparație cu regiunea anterioară schimbării de fază.
D) Descompunerea termică, analiza gazelor
Modificările de masă în funcție de temperatură și semnalele spectrometrului de masă sunt reprezentate în figurile 7 și 8. PTFE nu prezintă pierderi de masă până când începe descompunerea pirolitică la 587°C. Spectrometrul de masă a detectat schimbarea intensității curentului Ionic pentru numerele de masă 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 și 243. Aceste numere de masă indică fragmente tipice de PTFE. Politetrafl uoroetilena se descompune complet; nu rămâne nicio masă reziduală în atmosfera de gaz inert.
Simultan cu TGA-MS, a fost efectuată o măsurare FT-IR. O colecție a tuturor spectrelor IR detectate este prezentată ca un cub tridimensional în figura 9. În plus, semnalul TGA de pe fața laterală a cubului este inclus suplimentar.
Din acest grafic 3D, au fost extrase spectre unice la o temperatură apropiată de maximele vârfurilor vizibile (figura 10) și comparate cu datele din bibliotecă. HF și tetrafluoroetilena au fost identificate.
Concluzie
Au fost testate diverse proprietăți termofizice și termomecanice pentru o mai bună înțelegere a PTFE. Tranziția solid-solid a putut fi identificată prin toate tehnicile de analiză termică utilizate. Numai analiza mecanică dinamică a fost capabilă să detecteze tranzițiile legate de faza amorfă.