Як поверхнева енергія PTFE сприяє його властивостям проти-пригарання та-забруднення?

Занурювальний нагрівач PTFE, витягнутий із ванни, -схильної до забруднення, часто втрачає відкладення шляхом простого промивання, але металевий нагрівач потрібно почистити або очистити кислотою. Антипригарні властивості випливають із фундаментальної хімії поверхні PTFE. Кореляція між поверхневою енергією та стійкістю до забруднення добре встановлена ​​і допомагає пояснити, чому PTFE залишається матеріалом вибору в ситуаціях агресивного утворення відкладень.

Що таке поверхнева енергія? Просте пояснення
Поверхнева енергія – це міра того, наскільки добре поверхня притягує інші матеріали, наприклад рідини, тверді речовини або напів{0}}тверді відкладення. Чистий метал або скло є високоенергетичними поверхнями і мають величезну привабливість. Рідина, що контактує з високо{3}}енергетичною поверхнею, розтікається (змочує поверхню) і дуже добре прилипає. Навпаки, низькоенергетичні поверхні створюють слабкий привабливий ефект. Рідини мають тенденцію до утворення кульок або крапель, а не до розподілу, а тверді речовини мають проблеми з утворенням міцних клейових зв’язків.

PTFE має дуже низьку поверхневу енергію. Критичний поверхневий натяг PTFE становить приблизно 18-20 дин на сантиметр. (Цю саму величину часто записують як міліньютони на метр або мН/м). Для порівняння, поверхневий натяг води за температури навколишнього середовища становить близько 72 дин/см. PTFE не змочує воду. Поверхневий натяг води значно вищий, ніж поверхнева енергія PTFE. Вода утворює дискретні кульки, які легко скочуються. Такий самий підхід застосовується до різних рідин, суспензій і напівтвердих відкладень, які виникають у промисловому опаленні.

Як молекулярна структура PTFE створює низьку поверхневу енергію
Низька поверхнева енергія зумовлена ​​молекулярною структурою PTFE. ПТФЕ складається з молекул, які мають довгі ланцюги атомів вуглецю, до кожного атома вуглецю приєднані два атоми фтору. Атоми фтору дуже електронегативні й утворюють щільний-упакований щільний зовнішній шар на вуглецевому каркасі. Ця фторована поверхня має дуже слабкі міжмолекулярні сили (сили Ван-дер-Ваальса) у взаємодії з іншими речовинами. По суті, є дуже мало речей, які можуть «прилипнути» до поверхні PTFE настільки, щоб створити постійний зв’язок.

Слід зазначити, що ця якість є основною для матеріалу і не псується з часом. Це відрізняється від деяких антипригарних покриттів, які зношуються або потребують періодичного нанесення. Низька поверхнева енергія PTFE є об'ємною властивістю. Нещодавно відкритий PTFE має таку ж низьку поверхневу енергію, навіть якщо поверхня пошкоджена або потерта.

Як низька поверхнева енергія перетворюється на -антипригарні та -незабруднильні властивості
Взаємозв’язок із поверхневою енергією PTFE протипригарним стійкістю до забруднення є лінійним і передбачуваним. Оскільки ПТФЕ має нижчу поверхневу енергію, ніж більшість типових забруднювачів, неможливо утворити міцні адгезивні зв’язки. Вища поверхнева енергія існує для мінерального накипу (карбонат кальцію, сульфат кальцію), металевого шламу (частки нікелю, міді, цинку з ванн для нанесення покриттів), полімеризованих залишків і органічних відкладень. Коли вони намагаються нанести на поверхню PTFE, міжфазна енергія є несприятливою для адгезії. Відкладення або не прилипають, або прилипають настільки погано, що вони видаляються регулярним потоком рідини або делікатним промиванням.

Насправді така поведінка дає ряд вимірних переваг:

Зменшене утворення накипу - Жорстка водяна накип, швидше за все, трісне та відшарується від нагрівача PTFE, ніж утворюється в ізоляційному шарі.

Мінімальна адгезія металевого осаду - Тефлонові нагрівачі піддаються набагато меншому впливу металевих відкладень під час гальванічного покриття та обробки металу в баках, ніж нагрівачі з нержавіючої сталі або титану.

Легко чистити - Якщо утворюється відкладення, зазвичай достатньо промити водою під низьким тиском або протерти м’якою щіткою. Рідко буває необхідне жорстке механічне чищення або сильні хімічні засоби для чищення.

Менші коефіцієнти забруднення Тефлонові нагрівачі зберігають більш постійну продуктивність у розрахунках теплопередачі протягом усього часу, оскільки коефіцієнт забруднення (термічний опір, доданий відкладеннями) залишається низьким.

Поверхнева енергія PTFE порівняно з іншими матеріалами
Розташування PTFE щодо звичайних матеріалів оболонки нагрівача та інших контрольних поверхонь показано в наступній таблиці. Нижча поверхнева енергія=кращі -антипригарні властивості

Матеріал Критична поверхнева енергія (дин/см або мН/м) Відносна ефективність без{0}}залипання
PTFE (політетрафторетилен) 18 – 20 Відмінно (мінімум клею)
Перфторалкоксиалкан (PFA)18 – 20 Порівняно з PTFE
Фторований етиленпропілен (FEP)18 – 19 як PTFE
Силіконова гума 22-24 Хороша, але не така стійка до хімічних речовин
Поліпропілен (PP) 29 – 31 Помірний антипригарний
Нержавіюча сталь (чиста, пасивована) 70 – 110 Погано; багато відкладень чіпляються міцно
Скло 70 - 100Погано; накип і органіка легко прилипають
Вода (поверхневий натяг, для порівняння) 72 (Не твердий, але показує, чому водяні кульки)
Однією з головних переваг PTFE порівняно з іншими полімерами з низькою поверхневою енергією, наприклад поліпропіленом, є його хімічна інертність. Поліпропілен може бути не-пригарним, але він не витримує високих температур або агресивних кислот і розчинників, як PTFE. PFA і FEP є фторполімерами, подібними до PTFE з подібною низькою поверхневою енергією. Вони часто використовуються як альтернатива PTFE, де потрібна прозорість або інші характеристики обробки.

Практичні наслідки для обслуговування нагрівача та теплопередачі
Ця антипригарна властивість PTFE безпосередньо впливає на два важливі фактори експлуатації: інтервали технічного обслуговування та ефективність теплопередачі.

Періодичність технічного обслуговування – для ванни з нікелевим покриттям може знадобитися витягнути нагрівач із нержавіючої сталі та щотижня занурювати його в кислоту, щоб видалити -скупчення металевого осаду. Тефлоновий нагрівач у подібній ванні може працювати місяцями лише через щомісячне промивання, і навіть тоді відкладення легко відшаровуються. Це скорочення часу простою на технічне обслуговування перетворюється на більшу готовність виробництва.

Ефективність передачі тепла - Відкладення на поверхні нагрівача поводяться як теплоізолятори. Оскільки відкладення або шлам накопичуються на металевому нагрівачі, щільність ват на поверхні відкладень збільшується (оскільки така ж потужність подається на меншу ефективну площу), що призводить до локального перегріву та додаткового зміцнення відкладень. Непригарна поверхня PTFE перериває цей самозміцнювальний цикл забруднення-. Обігрівач значно довше зберігає проектний коефіцієнт тепловіддачі.

Зауважте, що сам ПТФЕ має помірну теплопровідність (приблизно 0,25 Вт/м·К), як зазначено в попередніх розділах. Це вимагає обережного проектування щільності ват, але анти{2}}характеристика забруднення допомагає компенсувати термічний опір, зберігаючи зовнішню поверхню чистою. Незважаючи на значно вищу власну провідність металу, чиста поверхня PTFE пропускає тепло краще, ніж сильно забруднена металева поверхня.

Обмеження та міркування
Жодна речовина не-не прилипає за будь-яких умов. Надзвичайно стійкі відкладення, такі як запечені-на карбонізованих залишках або деякі затверділі полімерні покриття, можуть прилипати навіть до PTFE. Крім того, якщо поверхня PTFE фізично пошкоджена (глибокі подряпини або виїмки), відкладення можуть механічно з’єднуватися з місцями пошкоджень і таким чином знижувати ефективну -непригарну дію. Однак навіть за таких обставин зона сильного зчеплення все ще локалізована, а загальне забруднення все ще менше, ніж на металевих поверхнях.

Практичний момент: низька поверхнева енергія PTFE означає, що більшість клеїв або покриттів прилипають до нього з великими труднощами. Це не є проблемою для оболонки нагрівача, але може ускладнити ремонт або модифікацію на місці. Якщо з’єднання з PTFE є дуже важливим, виробники нагрівачів використовують спеціальну обробку поверхні (наприклад, травлення сіллю).

Резюме: скорочення технічного обслуговування та збільшення терміну служби у складних застосуваннях
Наукова причина славнозвісних антипригарних і -незабруднильних властивостей PTFE полягає в його низькій поверхневій енергії- ~18 дин/см. Характеристики поверхні PTFE, до яких більшість рідин і твердих частинок не можуть міцно з’єднатися, тому мінеральний наліт, металевий шлам і органічні відкладення не утворюються або швидко видаляються з мінімальними зусиллями щодо очищення.

Ця характеристика скорочує час простою на техобслуговуванні, підтримує ефективність теплопередачі та збільшує термін служби занурювальних нагрівачів PTFE у агресивних хімічних і металевих застосуваннях. Металеві нагрівачі піддаються зростаючому забрудненню, що знижує продуктивність і потребує агресивного очищення, але PTFE нагрівачі мають чисті поверхні та постійну продуктивність. Завдяки своїй хімічній інертності, термічній стабільності та низькій поверхневій енергії PTFE є унікальним матеріалом для нагрівання агресивних технологічних рідин,-утворюючих відкладення.