Com contribueix l'energia superficial del PTFE a les seves propietats anti-antiadherents i anti-incrustacions?

Un escalfador d'immersió de PTFE que s'elimina d'un bany-propens a la contaminació sovint perdrà els seus dipòsits amb un simple esbandida, però un escalfador metàl·lic s'ha de raspar o netejar amb àcid. Les propietats -antiadherents provenen de la química superficial fonamental del PTFE. La correlació entre l'energia superficial i la resistència a la contaminació està ben establerta i ajuda a explicar per què el PTFE segueix sent el material escollit en situacions de producció de dipòsits agressius.

Què és l'energia superficial? Una explicació senzilla
L'energia superficial és una mesura de com una superfície atrau altres materials, com ara líquids, sòlids o dipòsits semi-sòlids. El metall o el vidre nets són superfícies d'alta energia i tenen una gran atracció. Un líquid en contacte amb una superfície d'-alta energia s'estendrà (mullarà la superfície) i s'adherirà molt bé. En canvi, les superfícies de baixa energia produeixen un efecte atractiu feble. Els líquids tendeixen a formar gotes o gotes, no estendre's, i els sòlids tenen problemes per fer enllaços adhesius forts.

El PTFE té una energia superficial molt baixa. La tensió superficial crítica del PTFE és d'unes 18-20 dines per centímetre. (Aquesta mateixa quantitat s'escriu sovint com a mil·linewtons per metre o mN/m). En comparació, la tensió superficial de l'aigua a temperatura ambient és d'unes 72 dines/cm. El PTFE no mulla l'aigua. La tensió superficial de l'aigua és substancialment superior a l'energia superficial del PTFE. L'aigua forma perles discretes que es desplacen fàcilment. El mateix enfocament s'aplica a diversos líquids, purins i dipòsits semisòlids que es troben a la calefacció industrial.

Com l'estructura molecular del PTFE crea poca energia superficial
La baixa energia superficial es deu a l'estructura molecular del PTFE. El PTFE està format per molècules que tenen llargues cadenes d'àtoms de carboni, cada àtom de carboni té dos àtoms de fluor units. Els àtoms de flúor són molt electronegatius i formen una capa externa densa-a la columna vertebral de carboni. Aquesta superfície fluorada té forces intermoleculars molt febles (forces de van der Waals) en interacció amb altres substàncies. Bàsicament, hi ha molt poques coses que es puguin "enganxar" a la superfície de PTFE prou per establir una relació permanent.

Cal destacar que aquesta qualitat és fonamental per al material i no decau amb el temps. Això és diferent d'alguns recobriments antiadherents que es desgasten o s'han de tornar a aplicar a intervals. La baixa energia superficial del PTFE és una característica a granel. El PTFE recentment exposat té la mateixa baixa energia superficial fins i tot si la superfície està danyada o abrasada.

Com la baixa energia superficial es tradueix en propietats anti-adherents i anti-incrustacions
La relació amb la resistència a la contaminació antiadherent d'energia superficial de PTFE és lineal i previsible. Com que el PTFE té una energia superficial més baixa que la majoria de contaminants típics, no es poden formar enllaços adhesius forts. Hi ha energies superficials més elevades per a escates minerals (carbonat de calci, sulfat de calci), fangs metàl·lics (níquel, coure, partícules de zinc dels banys de revestiment), residus polimeritzats i dipòsits orgànics. Quan intenten dipositar-se sobre una superfície de PTFE, l'energia interfacial és desfavorable per a l'adhesió. Els dipòsits no s'adhereixen o s'adhereixen tan malament que s'eliminen mitjançant un flux de fluid regular o una neteja suau.

En realitat, aquest comportament ofereix una sèrie de beneficis mesurables:

Reducció de l'escala - És més probable que l'escalfament d'aigua dura es fracturi i s'esquilli un escalfador de PTFE que s'acumuli en una capa aïllant.

Adhesió mínima de fangs metàl·lics - Els escalfadors de PTFE estan exposats a un dipòsit metàl·lic molt menor als dipòsits de galvanoplastia i d'acabat metàl·lic que els escalfadors d'acer inoxidable o titani.

Fàcil de netejar - Si es forma algun dipòsit, normalment només cal un esbandida amb aigua a baixa pressió o una passada amb un raspall suau. Poques vegades és necessari un fregat mecànic dur o agents de neteja químics forts.

Factors de contaminació més baixos Els escalfadors de PTFE mantenen un rendiment més constant en els càlculs de transferència de calor al llarg del temps perquè el factor de contaminació (resistència tèrmica afegida pels dipòsits) es manté baix.

Energia superficial del PTFE en comparació amb altres materials
A la taula següent es mostra la posició del PTFE respecte als materials comuns de la funda de l'escalfador i altres superfícies de referència. Menor energia superficial=millors propietats antiadherents-

Energia superficial crítica del material (dina/cm o mN/m) Rendiment relatiu antiadherent{0}
PTFE (politetrafluoroetilè) 18 – 20 Excel·lent (adhesiu mínim)
Perfluoroalcoxi alcà (PFA)18 – 20 Comparable al PTFE
Etilè propilè fluorat (FEP)18 – 19 Com el PTFE
Cautxú de silicona 22-24Bo però no tan resistent als productes químics
Polipropilè (PP) 29 – 31 Antiadherent-moderat
Acer inoxidable (net, passivat) 70 – 110 Dolent; molts dipòsits s'enganxen fortament
Vidre 70 - 100Pobre; l'escala i els orgànics s'enganxen fàcilment
Aigua (tensió superficial, per comparació) 72 (No és sòlid, però mostra per què les perles d'aigua)
Un dels principals avantatges del PTFE enfront d'altres polímers de baixa energia superficial, com ara el polipropilè, és la seva inercia química. El polipropilè pot ser anti-adherent, però no suporta les altes temperatures ni els àcids i dissolvents durs que fa el PTFE. PFA i FEP són fluoropolímers similars al PTFE amb una baixa energia superficial similar. Sovint s'utilitzen com a alternatives al PTFE on es requereixen transparència o diferents característiques de processament.

Implicacions pràctiques per al manteniment de l'escalfador i la transferència de calor
Aquesta característica anti-de PTFE influeix directament en dos factors de funcionament importants: els intervals de manteniment i l'eficiència de la transferència de calor.

Freqüència de manteniment: un bany de niquelat pot requerir extreure un escalfador d'acer inoxidable i submergir àcid setmanalment per eliminar l'acumulació-de fangs metàl·lics. Un escalfador de PTFE en un bany similar pot funcionar durant mesos amb només un esbandida mensual i, fins i tot, els dipòsits s'eliminen fàcilment. Aquesta reducció del temps d'inactivitat de manteniment es tradueix en una major disponibilitat de producció.

Eficiència de transmissió de calor - Els dipòsits a la superfície d'un escalfador es comporten com a aïllants tèrmics. A mesura que s'acumulen dipòsits o fangs en un escalfador metàl·lic, la densitat de watts a la superfície del dipòsit augmenta (ja que s'està donant la mateixa potència en una àrea efectiva més petita), donant lloc a un sobreescalfament localitzat i un enduriment addicional del dipòsit. La superfície antiadherent-de PTFE interromp aquest cicle d'incrustació d'auto-reforç. L'escalfador conserva el seu coeficient de transferència de calor de disseny durant temps significativament més llargs.

Tingueu en compte que el propi PTFE té una conductivitat tèrmica modesta (uns 0,25 W/m·K) tal com s'indica a les seccions anteriors. Això requereix un disseny prudent de densitat de watts, però la característica anti-incrustació ajuda a compensar la resistència tèrmica mantenint la superfície exterior neta. Malgrat la conductivitat inherent substancialment més alta del metall, una superfície neta de PTFE transmet la calor millor que una superfície metàl·lica molt contaminada.

Restriccions i consideracions
Cap substància és totalment anti-amb totes les condicions. Els dipòsits extremadament persistents, com ara el forn-en residus carbonitzats o alguns recobriments de polímers curats, poden enganxar-se fins i tot al PTFE. A més, si la superfície de PTFE està danyada físicament (esgarrapades profundes o esquerdes), els dipòsits poden enclavar-se mecànicament amb els llocs danyats i, per tant, reduir el rendiment efectiu de l'antiadherent-. Tanmateix, fins i tot en aquestes circumstàncies, l'àrea de forta adherència encara està localitzada i l'encrassement total encara és menor que amb superfícies metàl·liques.

Un punt pràctic: la baixa energia superficial del PTFE fa que la majoria d'adhesius o recobriments s'hi adhereixin amb molta dificultat. Això no és un problema per a una funda d'escalfador, però pot dificultar les reparacions o les modificacions de camp. Si la unió a PTFE és molt essencial, els fabricants d'escalfadors utilitzen tractaments superficials específics (per exemple, gravat amb sal).

Resum: Manteniment reduït i augment de la vida útil en aplicacions difícils
La raó científica de les famoses propietats anti-antiadherents i anti-de PTFE és la seva baixa energia superficial- ~18 dines/cm. Les característiques de la superfície del PTFE a les quals la majoria de líquids i sòlids no es poden unir fortament, per tant, escates minerals, fangs metàl·lics i dipòsits orgànics no es formen o s'eliminen ràpidament amb un esforç de neteja mínim.

Aquesta característica redueix el temps d'inactivitat de manteniment, manté l'eficiència de la transferència de calor i augmenta la vida útil dels escalfadors d'immersió de PTFE en aplicacions químiques dures i de revestiment. Els escalfadors metàl·lics estan subjectes a una contaminació creixent que redueix el rendiment i requereix una neteja agressiva, però els escalfadors de PTFE tenen superfícies netes i una sortida constant. A causa de la seva inercia química, estabilitat tèrmica i baixa energia superficial, el PTFE és un material únic per escalfar fluids de procés agressius que formen-dipòsits.