Jak se mění tepelná vodivost PTFE s teplotou a obsahem plniva?

Hlavní tepelnou nevýhodou PTFE je jeho omezená tepelná vodivost. Tato vlastnost však není konstantní, ale mění se s teplotou a lze ji upravit přidáním chemikálií. Toto pochopení těchto rozdílů umožňuje predikci výkonu ohřívače v provozu. Je analyzován vliv teplotního plniva na tepelnou vodivost PTFE a jak teplotní závislost, tak složení materiálu jsou přímo zapojeny do návrhových limitů přenosu tepla.

Čistý PTFE: Základní tepelné chování
Čistý PTFE má tepelnou vodivost asi 0,25 W/m K při teplotě okolí. To jej pěkně řadí do polymerů s nízkou vodivostí, podstatně méně než kovy a dokonce i mnoho technických plastů.

S rostoucí teplotou se tepelná vodivost mírně zvyšuje. Nárůst je mírný a nemění podstatný izolační charakter materiálu. Elektrická vodivost PTFE nedosahuje kovové úrovně ani při vysokých teplotách. Stále je to tepelná bariéra. Při zvýšení molekulární mobility dochází k minimálnímu zlepšení účinnosti přenosu tepla.

Stojí za zmínku, že toto zlepšení závislé na teplotě je poněkud malé ve srovnání s celkově špatnou základní vodivostí.

Vliv teploty na schopnost přenosu tepla
Pomalý nárůst s ohřevem
Molekulární mobilita PTFE roste s rostoucí teplotou, což vede k poněkud efektivnějšímu transportu fononů. To má za následek malé zlepšení tepelné vodivosti, i když materiál je stále z velké části izolant.

V praktických tepelných systémech to znamená, že odezva ohřívače přes PTFE pláště je stále omezena vodivým odporem. Zvýšení teploty materiálu je následně vysoce závislé na povrchovém tepelném toku a tloušťce spíše než na změně objemové vodivosti.

I za vysokých provozních podmínek PTFE stále působí jako ochranná bariéra, nikoli jako účinný distributor tepla.

Vliv plniv na tepelnou vodivost
Úpravy uhlíku, grafitu a skla
Použití plniv vede k významným změnám vodivosti. Použitím uhlíkových plniv, jako jsou saze nebo grafit oproti původnímu PTFE, lze tepelnou vodivost zlepšit dvakrát až třikrát. Skleněná vlákna také mění tepelné chování, i když obecně ne tak významný účinek, pokud jde o zvýšení vodivosti.

Takové změny vedou ke kompozitním materiálům s částečně zlepšenými kanály pro přenos tepla prostřednictvím vodivých výplňových sítí zabudovaných do polymerní matrice.

Zvýšení tepelné vodivosti má však své-nevýhody. Snižuje se mechanická pružnost, snižuje se prodloužení při přetržení a zvyšuje se křehkost. Takové změny dlouhodobě ovlivňují trvanlivost při tepelném cyklování a mechanickém namáhání.

Kromě toho mohou plniva oslabit chemickou odolnost nebo vytvořit mikrokanálky, které by mohly narušit úplnou inertnost nezbytnou v ultra-čistém chemickém prostředí.

Shrnutí srovnání tepelné vodivosti