Как повърхностната енергия на PTFE допринася за неговите незалепващи и-незалепващи свойства?

PTFE потопяем нагревател, изваден от предразположена към замърсяване-вана, често ще загуби отлаганията си чрез просто изплакване, но металният нагревател трябва да бъде изстърган или почистен с киселина. Незалепващите свойства произтичат от фундаменталната повърхностна химия на PTFE. Корелацията между повърхностната енергия и устойчивостта на замърсяване е добре установена и помага да се обясни защо PTFE остава избраният материал в ситуации на агресивно образуване на отлагания.

Какво е повърхностна енергия? Просто обяснение
Повърхностната енергия е мярка за това колко добре повърхността привлича други материали като течности, твърди вещества или полу{0}}твърди отлагания. Чистият метал или стъкло са повърхности с висока енергия и имат огромно привличане. Течност в контакт с повърхност с висока-енергия ще се разтече (намокри повърхността) и ще залепне много добре. За разлика от тях нискоенергийните повърхности произвеждат слаб атрактивен ефект. Течностите са склонни да образуват перли или капчици, а не да се разпръскват, а твърдите вещества имат проблем с образуването на здрави адхезивни връзки.

PTFE има много ниска повърхностна енергия. Критичното повърхностно напрежение на PTFE е около 18-20 дина на сантиметър. (Същото това количество често се записва като милинютони на метър или mN/m). За сравнение, повърхностното напрежение на водата при околна температура е около 72 dynes/cm. PTFE не намокря водата. Повърхностното напрежение на водата е значително по-високо от повърхностната енергия на PTFE. Водата образува дискретни мъниста, които се търкалят лесно. Същият подход се прилага за различни течности, суспензии и полутвърди отлагания, които се срещат при промишлено отопление.

Как молекулярната структура на PTFE създава ниска повърхностна енергия
Ниската повърхностна енергия се дължи на молекулярната структура на PTFE. PTFE е направен от молекули, които имат дълги вериги от въглеродни атоми, като всеки въглероден атом има два свързани флуорни атома. Флуорните атоми са много електроотрицателни и образуват плътно опакован плътен външен слой върху въглеродния скелет. Тази флуорирана повърхност има много слаби междумолекулни сили (сили на Ван дер Ваалс) във взаимодействие с други вещества. По принцип има много малко неща, които могат да се "залепят" за повърхността на PTFE достатъчно, за да направят постоянна връзка.

Трябва да се отбележи, че това качество е основно за материала и не се разваля с времето. Това е различно от някои незалепващи покрития, които се износват или трябва да се нанасят отново на интервали. Ниската повърхностна енергия на PTFE е основна характеристика. Новоизложеният PTFE има същата ниска повърхностна енергия, дори ако повърхността е повредена или ожулена.

Как ниската повърхностна енергия се превръща в незалепващи и-незалепващи свойства
Връзката с устойчивостта на незалепващо замърсяване на повърхностната енергия на PTFE е линейна и предсказуема. Тъй като PTFE има по-ниска повърхностна енергия от повечето типични замърсявания, не могат да се образуват силни адхезивни връзки. По-високи повърхностни енергии съществуват за минерален котлен камък (калциев карбонат, калциев сулфат), метална утайка (никел, мед, цинкови частици от вани за нанасяне на покритие), полимеризирани остатъци и органични отлагания. Когато се опитват да се отложат върху PTFE повърхност, повърхностната енергия е неблагоприятна за адхезия. Отлаганията или не полепват, или полепват толкова слабо, че се отстраняват чрез редовен поток от течност или нежно изплакване за почистване.

В действителност това поведение дава редица измерими ползи:

Намалено образуване на котлен камък - Твърдият воден котлен камък е по-вероятно да се счупи и да се отлепи от PTFE нагревател, отколкото да се натрупа в изолационен слой.

Минимална адхезия на метална утайка - PTFE нагревателите са изложени на много по-малко метални отлагания в резервоарите за галванопластика и довършителни метали, отколкото нагревателите от неръждаема стомана или титан.

Лесно почистване - Ако се образува отлагание, обикновено е необходимо само изплакване с вода под ниско налягане или минаване с нежна четка. Рядко е необходимо грубо механично търкане или силни химически почистващи агенти.

По-ниски фактори на замърсяване PTFE нагревателите поддържат по-постоянна производителност при изчисленията за пренос на топлина през цялото време, тъй като факторът на замърсяване (топлинно съпротивление, добавено от отлаганията) остава нисък.

Повърхностна енергия на PTFE в сравнение с други материали
Позицията на PTFE по отношение на обичайните материали за обвивката на нагревателя и други референтни повърхности е показана в следващата таблица. По-ниска повърхностна енергия=по-добри незалепващи свойства

Материал Критична повърхностна енергия (dyne/cm или mN/m) Относителна производителност без{0}}залепване
PTFE (политетрафлуоретилен) 18 – 20 Отличен (минимално лепило)
Перфлуороалкокси алкан (PFA)18 – 20 Сравним с PTFE
Флуориран етилен пропилен (FEP)18 – 19 като PTFE
Силиконов каучук 22-24Добър, но не толкова устойчив на химикали
Полипропилен (PP) 29 – 31 Умерено незалепващо
Неръждаема стомана (чиста, пасивирана) 70 – 110 Лошо; много депозити се придържат здраво
Стъкло 70 - 100Лош; котлен камък и органични вещества се залепват лесно
Вода (повърхностно напрежение, за сравнение) 72 (Не е твърдо вещество, но показва защо водни мъниста)
Едно от основните предимства на PTFE спрямо други полимери с ниска повърхностна енергия, например полипропилен, е неговата химическа инертност. Полипропиленът може да не е залепващ, но не издържа на високи температури или агресивни киселини и разтворители, както PTFE. PFA и FEP са флуорополимери, подобни на PTFE, с подобна ниска повърхностна енергия. Те често се използват като алтернативи на PTFE, когато се изискват прозрачност или различни характеристики на обработка.

Практически последици за поддръжката на нагревателя и преноса на топлина
Тази незалепваща характеристика на PTFE пряко влияе върху два важни оперативни фактора: интервали на поддръжка и ефективност на топлопредаване.

Честота на поддръжка – Ваната за никелиране може да изисква изваждане на нагревател от неръждаема стомана и потапяне в киселина всяка седмица, за да се премахне натрупаната-метална утайка. PTFE нагревател в подобна вана може да работи с месеци само с месечно изплакване и дори тогава отлаганията се отлепват лесно. Това намаляване на времето за престой при поддръжка се превръща в по-голяма производствена наличност.

Ефективност на пренос на топлина - Отлаганията по повърхността на нагревателя се държат като топлоизолатори. Тъй като отлаганията или утайките се натрупват върху метален нагревател, плътността на ватовете на повърхността на отлаганията се увеличава (тъй като същата мощност се подава през по-малка ефективна площ), което води до локализирано прегряване и допълнително втвърдяване на отлаганията. Незалепващата повърхност на PTFE прекъсва-този самоподсилващ се цикъл на замърсяване. Нагревателят запазва проектния си коефициент на топлопреминаване за значително по-дълго време.

Имайте предвид, че самият PTFE има умерена топлопроводимост (около 0,25 W/m·K), както е посочено в предишните раздели. Това изисква внимателен дизайн на плътността на вата, но въпреки това характеристиката против-замърсяване помага да се компенсира топлинната устойчивост, като поддържа външната повърхност чиста. Въпреки значително по-високата присъща проводимост на метала, чистата PTFE повърхност предава топлина по-добре от силно замърсената метална повърхност.

Ограничения и съображения
Нито едно вещество не е напълно незалепващо-при всякакви условия. Изключително устойчиви отлагания, като изпечени-върху карбонизирани остатъци или някои втвърдени полимерни покрития, могат да залепнат дори за PTFE. Освен това, ако повърхността на PTFE е физически повредена (дълбоки драскотини или вдлъбнатини), отлаганията могат механично да се блокират с местата на повреда и по този начин да намалят ефективното незалепващо действие. Въпреки това, дори при такива обстоятелства, зоната на силна адхезия все още е локализирана и общото замърсяване е все още по-малко, отколкото при метални повърхности.

Практически момент: ниската повърхностна енергия на PTFE означава, че повечето лепила или покрития се залепват към него много трудно. Това не е проблем за обвивката на нагревателя, но може да затрудни ремонтите или модификациите на място. Ако свързването към PTFE е много важно, производителите на нагреватели използват специфични повърхностни обработки (напр. ецване със сол).

Резюме: Намалена поддръжка и увеличен експлоатационен живот при трудни приложения
Научната причина за прочутите незалепващи и-замърсяващи свойства на PTFE е неговата ниска повърхностна енергия- ~18 dynes/cm. Повърхностните характеристики на PTFE, към които повечето течности и твърди частици не могат да се прикрепят силно, поради което не се образуват минерални нагари, метални утайки и органични отлагания или се отстраняват бързо с минимални усилия за почистване.

Тази характеристика намалява времето за престой при поддръжка, поддържа ефективността на топлопреноса и увеличава експлоатационния живот на PTFE потопяеми нагреватели при сурови химикали и приложения с покритие. Металните нагреватели са обект на нарастващо замърсяване, което намалява производителността и изисква агресивно почистване, но PTFE нагревателите имат чисти повърхности и постоянна мощност. Благодарение на своята химическа инертност, термична стабилност и ниска повърхностна енергия PTFE е уникален материал за нагряване на агресивни, образуващи-отлагания процесни течности.