Jak povrchová energie PTFE přispívá k jeho nelepivým a nelepivým vlastnostem-?

Ponorný ohřívač z PTFE vyjmutý z vany náchylné ke znečištění- často ztratí své usazeniny jednoduchým opláchnutím, ale kovový ohřívač je třeba oškrábat nebo vyčistit kyselinou. Nepřilnavé -vlastnosti vycházejí ze základní povrchové chemie PTFE. Korelace mezi povrchovou energií a odolností proti zanášení je dobře zavedená a pomáhá vysvětlit, proč PTFE zůstává materiálem volby v situacích, kdy dochází k agresivní produkci nánosů.

Co je povrchová energie? Jednoduché vysvětlení
Povrchová energie je měřítkem toho, jak dobře povrch přitahuje jiné materiály, jako jsou kapaliny, pevné látky nebo polotuhé usazeniny. Čistý kov nebo sklo jsou vysoce energetické povrchy a mají obrovskou přitažlivost. Kapalina, která přijde do kontaktu s vysoce-energetickým povrchem, se rozteče (povrch zvlhčí) a velmi dobře přilne. Naproti tomu povrchy s nízkou energií vytvářejí slabý atraktivní efekt. Kapaliny mají tendenci shlukovat nebo kapat, neroztékat se a pevné látky mají problém vytvořit silné lepicí spoje.

PTFE má velmi nízkou povrchovou energii. Kritické povrchové napětí PTFE je kolem 18-20 dynů na centimetr. (Totéž množství je často zapsáno jako millinewtony na metr nebo mN/m). Pro srovnání, povrchové napětí vody při okolní teplotě je kolem 72 dynů/cm. PTFE nesmáčí vodu. Povrchové napětí vody je podstatně vyšší než povrchová energie PTFE. Voda tvoří diskrétní kuličky, které se snadno odvalují. Stejný přístup platí pro různé kapaliny, kaly a polotuhé usazeniny, které se vyskytují v průmyslovém vytápění.

Jak molekulární struktura PTFE vytváří nízkou povrchovou energii
Nízká povrchová energie je způsobena molekulární strukturou PTFE. PTFE je vyroben z molekul, které mají dlouhé řetězce atomů uhlíku, přičemž každý atom uhlíku má připojeny dva atomy fluoru. Atomy fluoru jsou velmi elektronegativní a tvoří těsně -hustou vnější vrstvu na uhlíkové páteři. Tento fluorovaný povrch má velmi slabé mezimolekulární síly (van der Waalsovy síly) v interakci s jinými látkami. V zásadě existuje jen velmi málo věcí, které se mohou "přilepit" k povrchu PTFE natolik, aby vytvořily trvalý vztah.

Je třeba zdůraznit, že tato kvalita je pro materiál zásadní a časem se nezkazí. To se liší od některých nepřilnavých povlaků, které se opotřebovávají nebo se musí v určitých intervalech znovu nanášet. Nízká povrchová energie PTFE je hlavní vlastností. Nově vystavený PTFE má stejně nízkou povrchovou energii, i když je povrch poškozen nebo odřen.

Nízká povrchová energie se promítá do -nepřilnavých a-nehlinitých vlastností
Vztah s PTFE povrchovou energií nepřilnavého odporu proti znečištění je lineární a předvídatelný. Protože PTFE má nižší povrchovou energii než většina typických nečistot, nelze vytvořit silné adhezní spoje. Vyšší povrchové energie existují pro minerální okuje (uhličitan vápenatý, síran vápenatý), kovové kaly (částice niklu, mědi, zinku z pokovovacích lázní), polymerizované zbytky a organické usazeniny. Když se pokusí uložit na povrch PTFE, je mezifázová energie nepříznivá pro adhezi. Usazeniny buď neulpívají, nebo ulpívají tak špatně, že jsou odstraněny pravidelným prouděním tekutiny nebo jemným čisticím opláchnutím.

Ve skutečnosti toto chování poskytuje řadu měřitelných výhod:

Snížené usazování vodního kamene - Vodní kámen z tvrdé vody se s větší pravděpodobností rozbije a odlupuje od topného tělesa PTFE, než aby se usazoval v izolační vrstvě.

Minimální adheze kovového kalu - PTFE ohřívače jsou vystaveny mnohem menšímu množství kovových usazenin v nádržích na galvanické pokovování a povrchovou úpravu kovů než ohřívače z nerezové oceli nebo titanu.

Snadné čištění - Pokud se vytvoří nějaká usazenina, obvykle stačí opláchnout nízkotlakou vodou nebo projít jemným kartáčkem. Zřídka je nutné drsné mechanické drhnutí nebo silné chemické čisticí prostředky.

Nižší faktory znečištění Ohřívače PTFE si udržují stálejší výkon při výpočtech přenosu tepla po celou dobu, protože faktor znečištění (tepelný odpor přidaný usazeninami) zůstává nízký.

Povrchová energie PTFE ve srovnání s jinými materiály
Poloha PTFE vzhledem k běžným materiálům pláště ohřívače a dalším referenčním povrchům je uvedena v následující tabulce. Nižší povrchová energie=lepší nepřilnavé- vlastnosti

Materiál kritická povrchová energie (dyne/cm nebo mN/m) Relativní výkon bez{0}}sticku
PTFE (polytetrafluorethylen) 18 – 20 Vynikající (minimální přilnavost)
Perfluoralkoxy alkan ( PFA )18 – 20 Srovnatelné s PTFE
Fluorovaný ethylenpropylen (FEP)18 – 19 Jako PTFE
Silikonová pryž 22-24 Dobrá, ale ne tak odolná vůči chemikáliím
Polypropylen (PP) 29 – 31 Středně nepřilnavý-nelepivý
Nerezová ocel (čistá, pasivovaná) 70 – 110 Špatná; mnoho usazenin pevně drží
Sklo 70 - 100špatné; vodní kámen a organické látky se snadno lepí
Voda (povrchové napětí, pro srovnání) 72 (Není pevná látka, ale ukazuje, proč vodní kuličky)
Jednou z hlavních výhod PTFE oproti jiným polymerům s nízkou povrchovou energií, např. polypropylenu, je jeho chemická inertnost. Polypropylen může být nepřilnavý, ale neodolá vysokým teplotám ani drsným kyselinám a rozpouštědlům jako PTFE. PFA a FEP jsou oba fluoropolymery podobné PTFE s podobně nízkou povrchovou energií. Často se používají jako alternativy k PTFE tam, kde je vyžadována průhlednost nebo jiné zpracovatelské vlastnosti.

Praktické důsledky pro údržbu ohřívače a přenos tepla
Tato nepřilnavá vlastnost PTFE přímo ovlivňuje dva důležité provozní faktory: intervaly údržby a účinnost přenosu tepla.

Frekvence údržby – Poniklovací lázeň může vyžadovat vytažení topného tělesa z nerezové oceli a týdenní ponoření do kyseliny, aby se odstranily nahromaděné- kovové kaly. PTFE ohřívač v podobné lázni může běžet měsíce jen s měsíčním oplachem a i tak se usazeniny snadno odlupují. Toto snížení prostojů při údržbě se promítá do vyšší dostupnosti výroby.

Účinnost přenosu tepla - Usazeniny na povrchu ohřívače se chovají jako tepelné izolátory. Jak se usazeniny nebo kal hromadí na kovovém ohřívači, wattová hustota na povrchu usazeniny se zvyšuje (protože stejný výkon je dán na menší efektivní plochu), což vede k lokalizovanému přehřátí a dalšímu vytvrzení usazenin. Nepřilnavý povrch PTFE-přeruší tento samočinný-cyklus zanášení. Ohřívač si zachovává svůj návrhový koeficient prostupu tepla po výrazně delší dobu.

Všimněte si, že samotný PTFE má mírnou tepelnou vodivost (asi 0,25 W/m·K), jak bylo uvedeno v předchozích částech. To vyžaduje opatrný design s hustotou wattů, ale charakteristika proti zanášení-pomáhá kompenzovat tepelný odpor tím, že udržuje vnější povrch čistý. Navzdory podstatně vyšší vlastní vodivosti kovu přenáší čistý PTFE povrch teplo lépe než vysoce znečištěný kovový povrch.

Omezení a úvahy
Žádná látka není zcela nepřilnavá-za všech podmínek. Extrémně odolné usazeniny, jako jsou vypálené-usazeniny na karbonizovaných zbytcích nebo některých vytvrzených polymerových povlakech, mohou ulpívat i na PTFE. Kromě toho, pokud je povrch PTFE fyzicky poškozen (hluboké škrábance nebo rýhy), mohou se usazeniny mechanicky propojit s poškozenými místy, a tím snížit účinnou nepřilnavost-. Avšak i za takových okolností je oblast silné adheze stále lokalizována a celkové znečištění je stále menší než u kovových povrchů.

Praktický bod: nízká povrchová energie PTFE znamená, že většina lepidel nebo povlaků se na něj velmi obtížně lepí. To není problém pláště ohřívače, ale může to ztížit opravy nebo úpravy na místě. Pokud je lepení na PTFE velmi důležité, výrobci ohřívačů používají specifické povrchové úpravy (např. leptání solí).

Shrnutí: Snížená údržba a delší životnost v obtížných aplikacích
Vědeckým důvodem pro známé -nepřilnavé a proti{1}}nečištěné vlastnosti PTFE je jeho nízká povrchová energie- ~18 dynů/cm. Vlastnosti povrchu PTFE, na které se většina kapalin a pevných látek nemůže silně vázat, proto se nevytvářejí minerální usazeniny, kovové kaly a organické usazeniny nebo jsou rychle odstraněny s minimální námahou při čištění.

Tato charakteristika zkracuje prostoje při údržbě, udržuje účinnost přenosu tepla a zvyšuje provozní životnost PTFE ponorných ohřívačů v náročných chemických a pokovovacích aplikacích. Kovové ohřívače jsou vystaveny rostoucímu znečištění, které snižuje výkon a vyžaduje agresivní čištění, ale PTFE ohřívače mají čisté povrchy a konzistentní výkon. Díky své chemické inertnosti, tepelné stabilitě a nízké povrchové energii je PTFE jedinečným materiálem pro ohřev agresivních, usazenin{2}}tvorných procesních kapalin.