Kako površinska energija PTFE prispeva k njegovim-neprijemljivim lastnostim in proti-obraščanju?

Potopni grelnik PTFE, odstranjen iz kopeli,-ki je nagnjena k umazaniji, bo pogosto izgubil usedline s preprostim izpiranjem, kovinski grelnik pa je treba strgati ali očistiti s kislino. Ne-lastnosti proti sprijemanju izhajajo iz temeljne površinske kemije PTFE. Povezava med površinsko energijo in odpornostjo proti obraščanju je dobro uveljavljena in pomaga razložiti, zakaj PTFE ostaja izbrani material v situacijah, kjer nastajajo agresivni nanosi.

Kaj je površinska energija? Preprosta razlaga
Površinska energija je merilo, kako dobro površina privlači druge materiale, kot so tekočine, trdne snovi ali pol{0}}trdne usedline. Čista kovina ali steklo sta visokoenergijski površini in imata izjemno privlačnost. Tekočina v stiku z visoko-energijsko površino se bo razširila (površino zmočila) in zelo dobro prijela. V nasprotju s tem imajo nizkoenergijske površine šibek privlačen učinek. Tekočine se nagibajo k oblikovanju kroglic ali kapljic, ne pa k razprševanju, trdne snovi pa imajo težave pri ustvarjanju močnih lepilnih vezi.

PTFE ima zelo nizko površinsko energijo. Kritična površinska napetost PTFE je okoli 18-20 din na centimeter. (Ta ista količina je pogosto zapisana kot milinewton na meter ali mN/m). Za primerjavo, površinska napetost vode pri sobni temperaturi je okoli 72 dynov/cm. PTFE ne zmoči vode. Površinska napetost vode je bistveno večja od površinske energije PTFE. Voda tvori diskretne kroglice, ki se zlahka odkotalijo. Enak pristop velja za različne tekočine, gošče in poltrdne usedline, ki se pojavljajo pri industrijskem ogrevanju.

Kako molekularna struktura PTFE ustvarja nizko površinsko energijo
Nizka površinska energija je posledica molekularne strukture PTFE. PTFE je sestavljen iz molekul, ki imajo dolge verige ogljikovih atomov, pri čemer ima vsak atom ogljika dva vezana atoma fluora. Atomi fluora so zelo elektronegativni in tvorijo tesno-zgoščeno zunanjo plast na ogljikovem ogrodju. Ta fluorirana površina ima zelo šibke medmolekularne sile (van der Waalsove sile) v interakciji z drugimi snovmi. V bistvu obstaja zelo malo stvari, ki se lahko "prilepijo" na površino PTFE dovolj, da ustvarijo trajno povezavo.

Treba je poudariti, da je ta kakovost temeljna za material in s časom ne propade. To se razlikuje od nekaterih premazov proti prijemanju, ki se obrabijo ali jih je treba v presledkih znova nanesti. Nizka površinska energija PTFE je velika značilnost. Na novo izpostavljeni PTFE ima enako nizko površinsko energijo, tudi če je površina poškodovana ali odrgnjena.

Kako se nizka površinska energija prevede v-lastnosti proti sprijemanju in proti{1}}obraščanju
Razmerje z odpornostjo proti obraščanju s površinsko energijo PTFE je linearno in predvidljivo. Ker ima PTFE nižjo površinsko energijo kot večina tipičnih nečistoč, ni mogoče oblikovati močnih lepilnih vezi. Višje površinske energije obstajajo za mineralni kamen (kalcijev karbonat, kalcijev sulfat), kovinsko blato (delci niklja, bakra, cinka iz kopeli za galvanizacijo), polimerizirane ostanke in organske usedline. Ko se poskušajo nanesti na površino PTFE, je medfazna energija neugodna za oprijem. Obloge se ne oprijemajo ali pa se tako slabo oprijemajo, da jih odstranimo z rednim pretokom tekočine ali nežnim čistilnim izpiranjem.

V resnici to vedenje prinaša številne merljive prednosti:

Zmanjšano nastajanje vodnega kamna - Pri trdem vodnem kamnu obstaja večja verjetnost, da se bo zlomil in odlepil od PTFE grelnika, kot da bi se nabral v izolacijski plasti.

Minimalni oprijem kovinske gošče - PTFE grelniki so izpostavljeni veliko manj kovinskih usedlin pri galvanizaciji in končni obdelavi kovin kot grelniki iz nerjavečega jekla ali titana.

Enostavno čiščenje - Če se nabere usedlina, je običajno vse, kar potrebujete, izpiranje z vodo pod nizkim pritiskom ali premik z nežno krtačo. Redko je potrebno grobo mehansko čiščenje ali močna kemična čistilna sredstva.

Manjši faktorji onesnaženja Grelniki PTFE ohranjajo konstantnejšo zmogljivost pri izračunih prenosa toplote ves čas, ker faktor onesnaženja (toplotni upor, ki ga dodajo usedline) ostaja nizek.

Površinska energija PTFE v primerjavi z drugimi materiali
Položaj PTFE glede na običajne materiale grelnega plašča in druge referenčne površine je prikazan v naslednji tabeli. Nižja površinska energija=boljše-neprijemljive lastnosti

Material Kritična površinska energija (dyne/cm ali mN/m) Relativna zmogljivost brez{0}}stika
PTFE (politetrafluoretilen) 18 – 20 Odlično (minimalno lepilo)
Perfluoroalkoksi alkan (PFA)18 – 20 Primerljivo s PTFE
Fluoriran etilen propilen (FEP) 18 – 19 kot PTFE
Silikonska guma 22-24 Dobra, vendar ni tako odporna na kemikalije
Polipropilen (PP) 29 – 31 Zmerno proti sprijemanju
Nerjavno jeklo (čisto, pasivirano) 70 – 110 Slabo; veliko depozitov se tesno oprime
Steklo 70 - 100Slabo; vodni kamen in organske snovi se enostavno primejo
Voda (površinska napetost, za primerjavo) 72 (Ni trdna snov, vendar kaže, zakaj so vodne kroglice)
Ena glavnih prednosti PTFE v primerjavi z drugimi polimeri z nizko površinsko energijo, npr. polipropilenom, je njegova kemična inertnost. Polipropilen morda ni-oprijemljiv, vendar ne zdrži visokih temperatur ali ostrih kislin in topil kot PTFE. PFA in FEP sta fluoropolimera, podobna PTFE, s podobno nizko površinsko energijo. Pogosto se uporabljajo kot alternativa PTFE, kjer so potrebne prosojnost ali drugačne lastnosti obdelave.

Praktične posledice za vzdrževanje grelnika in prenos toplote
Ta lastnost PTFE proti sprijemanju neposredno vpliva na dva pomembna dejavnika delovanja: intervale vzdrževanja in učinkovitost prenosa toplote.

Pogostost vzdrževanja – kopel za nikljanje bo morda zahtevala, da grelec iz nerjavečega jekla izvlečete in ga tedensko potopite v kislino, da odstranite-nakopičeno kovinsko goščo. PTFE grelnik v podobni kopeli lahko deluje več mesecev z le mesečnim izpiranjem in tudi takrat se usedline zlahka odluščijo. To zmanjšanje izpadov zaradi vzdrževanja pomeni večjo razpoložljivost proizvodnje.

Učinkovitost prenosa toplote - Obloge na površini grelnika se obnašajo kot toplotni izolatorji. Ko se usedline ali blato kopičijo na kovinskem grelniku, se gostota vatov na površini usedlin poveča (ker se enaka moč prenaša na manjšo efektivno površino), kar povzroči lokalno pregrevanje in dodatno utrjevanje usedlin. Neoprijemljiva površina PTFE prekine-ta samoojačitveni cikel obraščanja. Grelec bistveno dlje časa ohrani svoj projektni koeficient toplotne prehodnosti.

Upoštevajte, da ima sam PTFE skromno toplotno prevodnost (približno 0,25 W/m·K), kot je navedeno v prejšnjih razdelkih. To zahteva previdno načrtovanje gostote vatov, kljub temu pa lastnost proti-obraščanju pomaga kompenzirati toplotno odpornost tako, da ohranja zunanjo površino čisto. Kljub znatno višji inherentni prevodnosti kovine čista PTFE površina bolje prepušča toploto kot močno onesnažena kovinska površina.

Omejitve in premisleki
Nobena snov ni popolnoma ne{0}}lepljiva v vseh pogojih. Izjemno obstojne usedline, kot so zapečene-na karboniziranih ostankih ali nekateri utrjeni polimerni premazi, se lahko primejo celo na PTFE. Nadalje, če je površina PTFE fizično poškodovana (globoke praske ali vdolbine), se lahko usedline mehansko združijo s poškodovanimi mesti in s tem zmanjšajo učinkovito delovanje proti-oprijemanju. Vendar je tudi v takšnih okoliščinah območje močnega oprijema še vedno lokalizirano in skupno onesnaženje je še vedno manjše kot pri kovinskih površinah.

Praktična točka: nizka površinska energija PTFE pomeni, da se večina lepil ali premazov nanj zelo težko oprime. To ni težava za ovoj grelnika, lahko pa oteži popravila ali modifikacije na terenu. Če je vezava na PTFE zelo pomembna, izdelovalci grelnikov uporabljajo posebne površinske obdelave (npr. jedkanje s soljo).

Povzetek: Zmanjšano vzdrževanje in podaljšana življenjska doba pri težkih aplikacijah
Znanstveni razlog za znane lastnosti PTFE proti-oprijemanju in obraščanju je njegova nizka površinska energija- ~18 dynov/cm. Površinske značilnosti PTFE, na katere se večina tekočin in trdnih delcev ne more močno oprijeti, zato se mineralni kamen, kovinski mulj in organske usedline ne tvorijo ali pa se hitro odstranijo z minimalnim naporom čiščenja.

Ta lastnost skrajša čas izpadov zaradi vzdrževanja, ohranja učinkovitost prenosa toplote in podaljša življenjsko dobo potopnih grelnikov PTFE pri uporabi z močnimi kemikalijami in nanašanjem. Kovinski grelniki so podvrženi vse večjim umazanijam, ki zmanjšujejo učinkovitost in zahtevajo agresivno čiščenje, vendar imajo PTFE grelniki čiste površine in dosledno moč. Zaradi svoje kemične inertnosti, toplotne stabilnosti in nizke površinske energije je PTFE edinstven material za ogrevanje agresivnih procesnih tekočin,-ki tvorijo usedline.