W jaki sposób energia powierzchniowa PTFE wpływa na jego właściwości zapobiegające-przywieraniu i-zabrudzeniom?

Grzałka zanurzeniowa PTFE wyjęta z kąpieli-podatnej na zabrudzenie często traci osady w wyniku prostego płukania, ale grzałkę metalową należy zeskrobać lub oczyścić kwasem. Właściwości zapobiegające przywieraniu wynikają z podstawowego składu chemicznego powierzchni PTFE. Korelacja między energią powierzchniową a odpornością na zanieczyszczenia jest dobrze ustalona i pomaga wyjaśnić, dlaczego PTFE pozostaje materiałem z wyboru w sytuacjach, w których powstają agresywne osady.

Co to jest energia powierzchniowa? Zwykłe wyjaśnienie
Energia powierzchniowa to miara tego, jak dobrze powierzchnia przyciąga inne materiały, takie jak ciecze, ciała stałe lub osady półstałe. Czysty metal lub szkło są powierzchniami o wysokiej energii i mają ogromną siłę przyciągania. Ciecz w kontakcie z powierzchnią o wysokiej-energii rozprzestrzeni się (zwilży powierzchnię) i bardzo dobrze przylega. Natomiast powierzchnie o niskiej energii dają słaby efekt atrakcyjny. Ciecze mają tendencję do tworzenia się perełek lub kropelek, a nie rozprzestrzeniania się, a ciała stałe mają problem z tworzeniem silnych wiązań klejowych.

PTFE ma bardzo niską energię powierzchniową. Krytyczne napięcie powierzchniowe PTFE wynosi około 18-20 dyn na centymetr. (Ta sama ilość jest często zapisywana jako miliniutony na metr lub mN/m). Dla porównania, napięcie powierzchniowe wody w temperaturze otoczenia wynosi około 72 dyn/cm. PTFE nie zwilża wody. Napięcie powierzchniowe wody jest znacznie wyższe niż energia powierzchniowa PTFE. Woda tworzy dyskretne kulki, które łatwo się toczą. To samo podejście stosuje się do różnych cieczy, zawiesin i osadów półstałych spotykanych w ciepłownictwie przemysłowym.

Jak struktura molekularna PTFE wytwarza niską energię powierzchniową
Niska energia powierzchniowa wynika z molekularnej struktury PTFE. PTFE składa się z cząsteczek mających długie łańcuchy atomów węgla, przy czym każdy atom węgla ma przyłączone dwa atomy fluoru. Atomy fluoru są bardzo elektroujemne i tworzą-ściśle upakowaną, gęstą warstwę zewnętrzną na szkielecie węglowym. Ta fluorowana powierzchnia ma bardzo słabe siły międzycząsteczkowe (siły van der Waalsa) w interakcji z innymi substancjami. Zasadniczo istnieje bardzo niewiele rzeczy, które mogą „przykleić się” do powierzchni PTFE na tyle, aby stworzyć trwałe połączenie.

Należy podkreślić, że ta jakość ma fundamentalne znaczenie dla materiału i nie zanika z czasem. Różni się to od niektórych powłok nieprzywierających, które ulegają zużyciu lub wymagają okresowego ponownego nałożenia. Cechą charakterystyczną PTFE jest niska energia powierzchniowa. Nowo odsłonięty PTFE ma tę samą niską energię powierzchniową, nawet jeśli powierzchnia jest uszkodzona lub starta.

Jak niska energia powierzchniowa przekłada się na właściwości zapobiegające-przywieraniu i-zabrudzeniom
Zależność od odporności na zabrudzenie nieprzywierającą energią powierzchniową PTFE jest liniowa i przewidywalna. Ponieważ PTFE ma niższą energię powierzchniową niż większość typowych zanieczyszczeń, nie można utworzyć mocnych wiązań adhezyjnych. Wyższe energie powierzchniowe występują w przypadku kamienia mineralnego (węglan wapnia, siarczan wapnia), szlamu metalicznego (nikiel, miedź, cząstki cynku z kąpieli galwanicznych), pozostałości polimeryzowanych i osadów organicznych. Kiedy próbują osadzać się na powierzchni PTFE, energia międzyfazowa jest niekorzystna dla przyczepności. Osady albo nie przylegają, albo przylegają tak słabo, że można je usunąć poprzez regularny przepływ płynu lub delikatne płukanie czyszczące.

W rzeczywistości takie zachowanie daje szereg wymiernych korzyści:

Zmniejszone osadzanie się kamienia - Kamień z twardej wody jest bardziej podatny na pękanie i odpadanie z grzejnika PTFE niż osadzanie się na warstwie izolacyjnej.

Minimalna przyczepność szlamu metalowego - Grzejniki PTFE są narażone na znacznie mniej osadów metalicznych w zbiornikach do galwanizacji i wykańczania metali niż grzejniki ze stali nierdzewnej lub tytanu.

Łatwe w czyszczeniu - Jeśli utworzy się osad, zwykle wystarczy spłukanie wodą pod niskim ciśnieniem lub przetarcie delikatną szczotką. Rzadko konieczne jest szorstkie mechaniczne szorowanie lub silne chemiczne środki czyszczące.

Niższy współczynnik zanieczyszczenia Grzejniki PTFE utrzymują bardziej stałą wydajność w obliczeniach wymiany ciepła przez cały czas, ponieważ współczynnik zanieczyszczenia (opór cieplny dodany przez osady) pozostaje niski.

Energia powierzchniowa PTFE w porównaniu z innymi materiałami
Położenie PTFE w stosunku do powszechnie stosowanych materiałów osłony grzejnika i innych powierzchni odniesienia pokazano w poniższej tabeli. Niższa energia powierzchniowa=lepsze-właściwości zapobiegające przywieraniu

Materiał Krytyczna energia powierzchniowa (dyn/cm lub mN/m) Względna wydajność bez-przywierania
PTFE (politetrafluoroetylen) 18 – 20 Doskonała (minimalna przyczepność)
Perfluoroalkoksyalkan (PFA)18 – 20 Porównywalny z PTFE
Fluorowany etylen-propylen (FEP)18 – 19 Podobnie jak PTFE
Kauczuk silikonowy 22-24Dobry, ale nie tak odporny na chemikalia
Polipropylen (PP) 29 – 31 Średnio nieprzywierający-
Stal nierdzewna (czysta, pasywowana) 70 – 110 Zła; wiele osadów przylega ściśle
Szkło 70 - 100Słabe; kamień i substancje organiczne łatwo się przyklejają
Woda (napięcie powierzchniowe dla porównania) 72 (nie ciało stałe, ale pokazuje, dlaczego kulki wodne)
Jedną z głównych zalet PTFE w porównaniu z innymi polimerami o niskiej energii powierzchniowej, np. polipropylenem, jest jego obojętność chemiczna. Polipropylen może nie przylegać-, ale nie wytrzymuje wysokich temperatur ani ostrych kwasów i rozpuszczalników tak jak PTFE. Zarówno PFA, jak i FEP są fluoropolimerami podobnymi do PTFE o podobnej niskiej energii powierzchniowej. Często stosuje się je jako alternatywę dla PTFE, gdy wymagana jest przezroczystość lub inne właściwości technologiczne.

Praktyczne implikacje dla konserwacji grzejników i wymiany ciepła
Ta nieprzywierająca cecha PTFE ma bezpośredni wpływ na dwa ważne czynniki operacyjne: okresy między konserwacjami i wydajność wymiany ciepła.

Częstotliwość konserwacji – kąpiel niklująca może wymagać wyciągnięcia grzejnika ze stali nierdzewnej i cotygodniowego zanurzania w kwasie w celu usunięcia-nagromadzonego metalicznego szlamu. Grzejnik PTFE w podobnej kąpieli może pracować miesiącami przy jedynie comiesięcznym płukaniu, a nawet wtedy osady łatwo się odklejają. Skrócenie czasu przestojów konserwacyjnych przekłada się na wyższą dostępność produkcji.

Sprawność przekazywania ciepła - Osady na powierzchni grzejnika zachowują się jak izolatory termiczne. W miarę gromadzenia się osadów lub szlamu na metalowym grzejniku wzrasta gęstość watów na powierzchni osadu (ponieważ ta sama moc jest przekazywana na mniejszą powierzchnię efektywną), co powoduje miejscowe przegrzanie i dodatkowe utwardzanie osadu. Nieprzywierająca powierzchnia PTFE-przerywa ten-samowzmacniający się cykl zanieczyszczania. Grzejnik zachowuje swój projektowy współczynnik przenikania ciepła znacznie dłużej.

Należy zauważyć, że sam PTFE ma niewielką przewodność cieplną (około 0,25 W/m·K), jak stwierdzono w poprzednich sekcjach. Wymaga to ostrożnego projektowania gęstości watów, jednak właściwości przeciwporostowe-pomagają zrekompensować opór cieplny, utrzymując powierzchnię zewnętrzną w czystości. Pomimo znacznie wyższej przewodności właściwej metalu, czysta powierzchnia PTFE przenosi ciepło lepiej niż silnie zanieczyszczona powierzchnia metalu.

Ograniczenia i rozważania
Żadna substancja nie jest całkowicie nieklejąca-w każdych warunkach. Niezwykle trwałe osady, takie jak zapieczone-zwęglone pozostałości lub niektóre utwardzone powłoki polimerowe, mogą przyklejać się nawet do PTFE. Co więcej, jeśli powierzchnia PTFE jest fizycznie uszkodzona (głębokie rysy lub wgłębienia), osady mogą mechanicznie zablokować się w miejscach uszkodzeń, zmniejszając w ten sposób skuteczność-nieprzywierania. Jednak nawet w takich okolicznościach obszar silnej przyczepności jest nadal zlokalizowany, a całkowite zanieczyszczenie jest nadal mniejsze niż w przypadku powierzchni metalowych.

Praktyczna uwaga: niska energia powierzchniowa PTFE oznacza, że ​​większość klejów i powłok przylega do niego z wielkim trudem. Nie stanowi to problemu w przypadku osłony grzejnika, ale może utrudnić naprawy lub modyfikacje w terenie. Jeśli wiązanie z PTFE jest bardzo istotne, producenci grzejników stosują specjalną obróbkę powierzchni (np. trawienie solą).

Podsumowanie: Mniejsza konserwacja i dłuższa żywotność w trudnych zastosowaniach
Naukowym powodem słynnych-nieprzywierających i przeciwporostowych-właściwości PTFE jest jego niska energia powierzchniowa- ~18 dyn/cm. Właściwości powierzchni PTFE, do których większość cieczy i ciał stałych nie może się silnie przyczepić, dlatego kamień mineralny, szlam metalowy i osady organiczne nie tworzą się lub są szybko usuwane przy minimalnym wysiłku czyszczenia.

Ta cecha skraca przestoje konserwacyjne, utrzymuje wydajność wymiany ciepła i zwiększa żywotność grzałek zanurzeniowych PTFE w trudnych zastosowaniach chemicznych i galwanicznych. Grzejniki metalowe są coraz bardziej zabrudzone, co obniża wydajność i wymaga agresywnego czyszczenia, ale grzejniki PTFE mają czyste powierzchnie i stałą wydajność. Ze względu na swoją obojętność chemiczną, stabilność termiczną i niską energię powierzchniową PTFE jest wyjątkowym materiałem do podgrzewania agresywnych,-tworzących osady płynów procesowych.