Hvordan bidrar overflateenergien til PTFE til dens ikke-klebende og anti-begroingsegenskaper?

En PTFE-dyppeovn som fjernes fra et bad som er utsatt for begroing- vil ofte miste avleiringene ved enkel skylling, men en metallvarmer må skrapes eller syrerenses. Ikke-klebeegenskapene stammer fra den grunnleggende overflatekjemien til PTFE. Korrelasjonen mellom overflateenergi og begroingsmotstand er godt etablert og bidrar til å forklare hvorfor PTFE forblir det foretrukne materialet i aggressive avsetningsproduserende situasjoner.

Hva er overflateenergi? En enkel forklaring
Overflateenergi er et mål på hvor godt en overflate tiltrekker seg andre materialer som væsker, faste stoffer eller halv-faste avsetninger. Rent metall eller glass er overflater med høy energi og har en enorm tiltrekningskraft. En væske i kontakt med en overflate med høy-energi vil spre seg (våte overflaten) og feste seg veldig godt. Derimot gir lavenergioverflatene en svak attraktiv effekt. Væsker har en tendens til å perle eller dråpe, ikke spre seg utover, og faste stoffer har problemer med å lage sterke limbindinger.

PTFE har svært lav overflateenergi. Den kritiske overflatespenningen til PTFE er rundt 18-20 dyn per centimeter. (Denne samme mengde skrives ofte som millinewton per meter eller mN/m). Til sammenligning er overflatespenningen til vann ved omgivelsestemperatur rundt 72 dyn/cm. PTFE fukter ikke vann. Overflatespenningen til vann er vesentlig høyere enn overflateenergien til PTFE. Vann danner diskrete perler som ruller lett av. Den samme tilnærmingen gjelder for forskjellige væsker, slurryer og halvfaste avsetninger som oppstår ved industriell oppvarming.

Hvordan den molekylære strukturen til PTFE skaper lav overflateenergi
Den lave overflateenergien skyldes den molekylære strukturen til PTFE. PTFE er laget av molekyler som har lange kjeder av karbonatomer, hvert karbonatom har to fluoratomer festet. Fluoratomer er veldig elektronegative, og de danner et tett-pakket tett ytre lag på karbonryggraden. Denne fluorerte overflaten har svært svake intermolekylære krefter (van der Waals-krefter) i samspill med andre stoffer. I utgangspunktet er det svært få ting som kan "klistre" til PTFE-overflaten nok til å lage et permanent forhold.

Det skal påpekes at denne kvaliteten er grunnleggende for materialet og ikke forfaller med tiden. Dette er forskjellig fra enkelte nonstick-belegg som slites ut eller må påføres på nytt med intervaller. PTFEs lave overflateenergi er en bulkfunksjon. Den nylig eksponerte PTFE har samme lave overflateenergi selv om overflaten er skadet eller slitt.

Hvor lav overflateenergi omsettes til -anti-{0}}klebende og anti-begroingsegenskaper
Forholdet til PTFE-overflateenergien non-stick begroingsmotstand er lineær og forutsigbar. Fordi PTFE har lavere overflateenergi enn de fleste typiske begroingsmidler, kan det ikke dannes sterke limbindinger. Høyere overflateenergi eksisterer for mineralbelegg (kalsiumkarbonat, kalsiumsulfat), metallslam (nikkel, kobber, sinkpartikler fra pletteringsbad), polymeriserte rester og organiske avleiringer. Når de prøver å avsette seg på en PTFE-overflate, er grenseflateenergien ugunstig for vedheft. Avleiringer fester seg enten ikke, eller fester seg så dårlig at de fjernes ved regelmessig væskestrøm eller en skånsom rengjøringsskylling.

I virkeligheten gir denne oppførselen en rekke målbare fordeler:

Redusert avleiring - Belegg av hardt vann er mer sannsynlig å sprekke og flake av en PTFE-varmer enn å bygge seg opp til et isolerende lag.

Minimalt vedheft av metallslam - PTFE-varmere utsettes for langt mindre metallavleiringer i elektropletterings- og metallbeholdere enn varmeovner i rustfritt stål eller titan.

Lett å rengjøre - Hvis det dannes avleiringer, er en lavtrykksskylling med vann eller en pass med en mild børste vanligvis alt som trengs. Sjelden er hard mekanisk skrubbing eller sterke kjemiske rengjøringsmidler nødvendig.

Lavere begroingsfaktorer PTFE-varmere opprettholder en mer konstant ytelse i varmeoverføringsberegninger over tid fordi begroingsfaktoren (termisk motstand lagt til av avleiringer) forblir lav.

Overflateenergi av PTFE sammenlignet med andre materialer
Plasseringen av PTFE i forhold til vanlige varmekappematerialer og andre referanseoverflater er vist i følgende tabell. Lavere overflateenergi=bedre non-egenskaper

Materialkritisk overflateenergi (dyne/cm eller mN/m) Relativ ikke-pinneytelse
PTFE (polytetrafluoretylen) 18 – 20 Utmerket (minimum lim)
Perfluoralkoksyalkan ( PFA )18 – 20 Kan sammenlignes med PTFE
Fluorert etylenpropylen (FEP)18 – 19 Som PTFE
Silikongummi 22-24Bra, men ikke like motstandsdyktig mot kjemikalier
Polypropylen (PP) 29 – 31 Moderat non-klebende
Rustfritt stål (rent, passivert) 70 – 110 Dårlig; mange innskudd klamrer seg tett
Glass 70 - 100Dårlig; vekt og organiske stoffer fester seg lett
Vann (overflatespenning, til sammenligning) 72 (Ikke et fast stoff, men viser hvorfor vannperler)
En av de største fordelene med PTFE i forhold til andre polymerer med lav overflateenergi, f.eks. polypropylen, er dens kjemiske treghet. Polypropylen kan være non-klebende, men det tåler ikke de høye temperaturene eller sterke syrer og løsemidler som PTFE gjør. PFA og FEP er begge fluorpolymerer som ligner på PTFE med tilsvarende lav overflateenergi. De brukes ofte som alternativer til PTFE der det kreves åpenhet eller andre prosessegenskaper.

Praktiske implikasjoner for vedlikehold av varmeapparat og varmeoverføring
Denne non-{0}}klebefunksjonen til PTFE påvirker direkte to viktige driftsfaktorer: vedlikeholdsintervaller og varmeoverføringseffektivitet.

Vedlikeholdsfrekvens – Et nikkelbeleggbad kan kreve at en varmeovn i rustfritt stål trekkes ut og dyppes i syre ukentlig for å fjerne-opphopning av metallslam. En PTFE-varmer i et lignende bad kan kjøre i flere måneder med bare en månedlig skylling, og selv da løsner avleiringene lett. Denne reduksjonen i vedlikeholdsstans fører til høyere produksjonstilgjengelighet.

Varmeoverføringseffektivitet - Avleiringer på overflaten av en varmeovn oppfører seg som termiske isolatorer. Ettersom avleiringer eller slam samler seg på en metallvarmer, øker watttettheten ved avsetningsoverflaten (siden den samme kraften gis over et mindre effektivt område), noe som resulterer i lokal overoppheting og ytterligere avleiringsherding. PTFEs non-flateoverflate avbryter denne selv-forsterkende begroingssyklusen. Varmeren beholder sin designvarmeoverføringskoeffisient i betydelig lengre tid.

Merk at PTFE i seg selv har en beskjeden varmeledningsevne (ca. 0,25 W/m·K) som angitt i tidligere avsnitt. Dette krever en forsiktig design med watttetthet, men anti-begroingsegenskapen hjelper til med å kompensere for termisk motstand ved å holde den utvendige overflaten ren. Til tross for den vesentlig høyere iboende ledningsevnen til metallet, overfører en ren PTFE-overflate varme bedre enn en svært tilsmusset metalloverflate.

Begrensninger og hensyn
Ingen stoffer er fullstendig non-klebende under alle forhold. Ekstremt vedvarende avleiringer, for eksempel bakt-på karboniserte rester eller noen herdede polymerbelegg, kan feste seg selv til PTFE. Videre, hvis PTFE-overflaten er fysisk skadet (dype riper eller huler), kan avleiringer mekanisk låse seg med skadestedene og dermed redusere den effektive non-stick-ytelsen. Men selv under slike omstendigheter er området med sterk adhesjon fortsatt lokalisert og den totale begroingen er fortsatt mindre enn med metalloverflater.

Et praktisk poeng: den lave overflateenergien til PTFE gjør at de fleste lim eller belegg fester seg til det med store vanskeligheter. Dette er ikke et problem for en varmekappe, men kan gjøre reparasjoner eller feltmodifikasjoner vanskeligere. Hvis binding til PTFE er svært viktig, brukes spesifikke overflatebehandlinger av varmeovner (f.eks. saltetsing).

Sammendrag: Redusert vedlikehold og økt levetid i vanskelige bruksområder
Den vitenskapelige årsaken til PTFEs berømte non-klebende og anti-begroingsegenskaper er dens lave overflateenergi- ~18 dyn/cm. PTFEs overflateegenskaper som de fleste væsker og faste stoffer ikke kan feste seg sterkt til, derfor dannes ikke mineralbelegg, metallslam og organiske avleiringer eller fjernes raskt med minimal rengjøring.

Denne egenskapen reduserer vedlikeholdsstans, opprettholder varmeoverføringseffektiviteten og øker levetiden til PTFE-dykkvarmere i tøffe kjemikalier og pletteringsapplikasjoner. Metallvarmere er utsatt for økende begroing som reduserer ytelsen og krever aggressiv rengjøring, men PTFE-varmere har rene overflater og jevn ytelse. På grunn av sin kjemiske inerthet, termiske stabilitet og lave overflateenergi er PTFE et unikt materiale for oppvarming av aggressive, avleiringsdannende prosessvæsker.