هدایت حرارتی PTFE و کامپوزیت های PTFE
هدایت حرارتی در پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) با استفاده از دستگاه هدایت حرارتی (دیسک لی) و توسط DSC مورد مطالعه قرار گرفت. روش قبلی برای بررسی تأثیر ترکیب فیلرها در محصولات الیاف شیشه - PTFE استفده شد که در تسمه نقاله برای فرآوری مواد غذایی کاربرد دارد. تأثیر تبلور بر هدایت حرارتی و همچنین روش های متعددی در تعیین میزان تبلور نیز بررسی شد. ترکیب آلومینیوم باعث افزایش انتقال حرارتی ازطریق کامپوزیت ها می شود؛ هدایت حرارتی PTFE با سطوح مختلف تبلور در دمای 232 درجه سلسیوس اندازه گیری شد و مشخص شد که با این پارامتر بصورت خطی افزایش می یابد.
پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) نشان دهندۀ خواص مفیدی را در وسیع ترین محدوده های دمایی در هر پلیمر شناخته شده است. در انتهای یک مقیاس دمایی، پلیمر دارای چقرمگی غیرمعمول در دماهای بردوتی است. همچنین PTFE دارای نقطه ذوب تبلور بکر (342 درجه سلسیوس)، ویسکوزیته برشی خیلی بالا (1011 در 380 درجه سلسیوس) در دمای ذوب و پایداری حرارتی خوب است. این پلیمر در همه حلال های متداول نامحلول است و مقاومت بالایی در برابر آسیب های شیمیایی دارد. ترکیب آن با خواص الکتریکی با قدرت دی الکتریک بالا و تلفات دی الکتریک بسیار کم بسیار قابل توجه است. پلیمر بطور منحصر به فردی غیر چسبنده و ضد اصطکاک است؛ این بدان معناست که اگرچه پردازش PTFE پر هزینه و دشوار است، اما کاربردهای زیادی از بلبرینگ و واشر گرفته تا پارچه های قابل تنفس و وسایل آشپزی دارد. در این مطالعه پارچه های الیاف شیشه ای حاوی PTFE مورد بررسی قرار گرفته اند که ازطریق آغشته کردن الیاف شیشه با پراکندگی آبی پلیمر، خشک کردن و سپس تف جوشی (زینترینگ) PTFE برای دست یافتن به چسبندگی و یکنواختی خوب تهیه شده اند؛ محصول نهایی در مواردی مانند تسمه نقاله کوره تونل (بویژه برای صنایع غذایی) و روکش های معماری که به خواص منحصر به فرد PTFE نیاز دارند، کاربرد دارد. این مقاله جنبه های یک پروژه وسیع تر را برای ارائه اطلاعات اساسی درمورد این معیارهای مرتبط با تولید و استفاده نهایی مورد بحث قرار می دهد. به همین منظور، تکنیک های اندازه گیری میزان هدایت حرارتی و تبلور در کامپوزیت های PTFE و PTFE - شیشه توسعه داده شد تا بتوان رابطه بین آنها را بررسی کرد.
صحت روش دیسک لی برای تعیین هدایت حرارتی با ارسال نمونه های آزمایشی به آزمایشگاه ملی فیزیک، تدینگتون، میدل سکس و UK و با استفاده از دستگاه صفحه گرم با قطر 76 میلی متر که کالیبراسیون آن با استانداردهای ملی قابل پیگیری بود بررسی شد. آزمایشات مطابق با استانداردهای ملی و اروپایی انجام شده و سپس نمونه ها برای آزمایش در دستگاه های ذکر شده در بالا ارسال شدند. در دمای 50 درجه سلسیوس، PMMA و PTFE (به ترتیب 199 و 259 میلی وات) تا 2.5 درصد مطابقت خوبی با مقادیر تأیید شدۀ NPL داشت. نمونه هایی از ورق های شیشه - PTFEزینترینگ شده و نشده با استفاده از روش دیسک لی بررسی شد. این ورقه ها فقط بعنوان ورقه های نازک (0.25 میلی متر) در دسترس بودند؛ بطوری که برای ایجاد ضخامت نمونه مورد نیاز، باید از 10 ورق یا بیشتر استفاده کرد. از ژله نفتی هم بر روی سطح هر ورق استفاده شد تا تماس حرارتی خوبی بین آنها ایجاد شود؛ با این وجود، ممکن است خلاء هوا وجود داشته باشد و در نتیجه، میزان ریسک پذیری این روش را افزایش دهد. در جدول زیرنتایج حاصل از ورق های شیشه - PTFEزینترینگ شده و نشده همراه با اندازه گیری ورق های حاوی پودر آلومینیوم ارائه شده است.
جدول 1:
همانطور که میتوان انتظار داشت، افزودن فیلر فلزی بسیار رسانا انتقال حرارتی را ازطریق ورق ها بهبود می بخشد؛ اگرچه به نظر می رسد که با افزودن آلومینیوم بیشتر، انتقال حرارتی نیز افزایش می یابد. این امر ممکن است به دلیل تغییرات تبلور PTFE یا به احتمال زیاد به دلیل کاهش خلاء ها در اثر تماس بهتر پلیمر با شیشه باشد. برای بررسی تأثیر تبلور PTFE بر میزان هدایت حرارتی آن، اندازه گیری نمونه های فلۀ PTFE (همان نمونه های بکار رفته در تعیین عملکرد دستگاه دیسک لی) انجام شد. پراش پرتو ایکس (XRD)، چگالی و تحلیل مکانیکی دینامیک (DMA) و تبلور PTFE فله با چندین روش متعدد اندازه گیری شد. فقط روش XRD را میتوان اندازه گیری مطلقِ تبلور دانست، علیرغم اینکه مقادیر بدست آمده با هم منطبق هستند؛ وجود حفره ها در داخل نمونه ممکن است نشان دهندۀ بالاترین میزان XRD باشد. علاوه براین، حرارت همجوشی این نمونه ها نیز با دستگاه DSC ارزیابی شد. با این حال، میتوان گفت ما در این مطالعه نمونه های خاصی را بررسی کرده ایم و نتایج حاصل از آن در ارزیابی نسبی تبلور نمونه ها کاربرد دارد. نمونه ورق های PTFE با تبلور متفاوت در دستگاه DSC با خنک سازی نمونه ها در میزان مختلف مذاب تهیه شدند. گرمای همجوشی نمونه با گرم کردن مجدد نمونه ها در دمای 10 درجه سلسیوس به مدت 18 دقیقه اندازه گیری شد. کاهش سرعت خنک کننده منجر به تبلور بیشتر نمونه ها می شود. بالاترین نرخ خنک کننده نشان دهندۀ حداکثر ظرفیت قابل کنترل DSC است و کندترین سرعت نیز به دلیل نگرانی از ثبات حرارتی نمونه محدود می شود. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا در فرایند سرمایش منجر به کاهش وزن مولکولی نمونه شد. در جدول زیر تغییرات تبلور و هدایت حرارتی را با شرایط آماده سازی نمونه ها ارائه شده است.
جدول 2:
با استفاده از روش DSC هاکورت برای اندازه گیری هدایت حرارتی، از قلع برای تعیین گرادیانت دما در نمونه ها استفاده شد. علیرغم اینکه به نظر می رسد داده های روند خطی نشان دهندۀ افزایش هدایت حرارتی با تبلور است، فقط برای دمای ارزیابی شده اعمال می شود. نتایج حاصل از مطالعات قبلی نتایج متناقضی را به دنبال دارند. کلین و ریز اثرات تبلور بر پلیمرها را مورد بررسی قرار داده اند. تغییرات دمایی می تواند منجر به کاهش یا عدم تغییر این پارامتر با تبلور شود. با این حال، مشاهدات ما ارتباط ویژه ای با کاربرد ورق شیشه - PTFE در فرآوری مواد غذایی بعنوان کاربرد نهایی اش دارد؛ جایی که بستر به احتمال زیاد به 200 درجه سلسیوس نزدیک می شود.
یک دستگاه ساده و دقیق برای تعیین هدایت حرارتی ساخته و برای بررسی تأثیر فرایند و ترکیب بر رفتار انتقال حرارتی در ورق های شیشه - PTFEاستفاده شد. اندازه گیری های جانبی نشان داد که هدایت حرارتی PTFE با افزایش تبلور در 232 درجه سلسیوس افزایش یافته است.
