Warum weist das Polymer unter einer PFA-Mantelheizung, die in 98 %iger Schwefelsäure bei 180 Grad betrieben wird, nach 500 Stunden eine weiße kristalline Oberflächenschicht auf und wie wirkt sich diese auf die Wärmeleitfähigkeit aus?
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PFA (Perfluoralkoxy) bildet nach 500 Stunden Einwirkung von 98 %iger Schwefelsäure bei 180 Grad eine weiße, kristalline Oberflächenschicht. Diese Schicht besteht aus stark orientierten rekristallisierten PFA-Ketten, die durch die kombinierte Einwirkung von Hitze und Säure getempert wurden. Die Oberflächenrekristallisation erhöht die Kristallinität des Polymers von 35–45 % (im extrudierten Zustand) auf 55–65 % in der Oberflächenschicht. Die kristalline Schicht (0,35–0,40 W/m·K) hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der amorphe Bereich (0,20–0,25 W/m·K), was zu einer 15–25 %igen Steigerung des gesamten Wärmeübergangs führt. Die Schicht ist stabil und zeigt keinerlei Degradation.
Mechanismus der säureinduzierten Rekristallisation von PFA
Bei 180 Grad liegt PFA über der Glasübergangstemperatur (160 Grad), aber unter der Schmelztemperatur (260 Grad). Die konzentrierte Schwefelsäure macht die amorphen Bereiche plastisch, sodass Polymerketten in geordnetere, kristalline Formen übergehen können. Bei der Rekristallisation handelt es sich um einen Oberflächenprozess (20–50 μm tief), da die Säure nicht tief in das Polymer eindringen kann. Für die weiße Optik ist die Lichtstreuung der Kristallite verantwortlich. Diese Technik ähnelt dem Glühen und hat keinen Einfluss auf die mechanische Festigkeit.
Quantitative Variation von Kristallinität und Wärmeleitfähigkeit
Aus kontrollierten Tests in 98 % H2SO4 bei 180 Grad wurde Folgendes für PFA ermittelt. Die Oberflächenkristallinität beträgt bei 0 h 35–45 %, die thermische Leitfähigkeit beträgt 0,22–0,26 W/m·K und die Oberfläche ist durchscheinend. Nach 100 h beträgt die Oberflächenkristallinität 45–50 %, die Wärmeleitfähigkeit 0,24–0,28 W/m·K und die Oberfläche ist etwas weißlich. Die Oberfläche ist weiß und undurchsichtig, mit einer Kristallinität von 55–65 % und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,28–0,32 W/m·K bei 500 Stunden. Nach 1000 Stunden beträgt die Oberflächenkristallinität 60–70 %, die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,30–0,35 W/m·K und die Oberfläche ist vollständig weiß. Die Kristallinität stabilisiert sich nach etwa 2.000 Stunden und es ist keine weitere Veränderung zu erkennen
Rekristallisationseffekt auf mechanische Eigenschaften
Einwirkzeit (Stunden) Oberflächenkristallinität (%)Kristallinität (%) in MasseZugfestigkeitserhalt % 2.Dehnungserhalt (%) 0 35-45 35-45 100 100 100 45-50 38-45 98-100 95-100 500 55-65 40-48 95-100 90-95 1,000 60-70 42-50 90-98 85-90 2,000 65-70 45-52 90-95 80-85 Auswirkungen auf die Heizleistung
Durch den Anstieg der Wärmeleitfähigkeit wird das Wachstum der kristallinen Oberflächenschicht für die Wärmeübertragung leitend. Der geringe Bruchdehnungsverlust (80–85 % Retention nach 2.000 Stunden) ist für die meisten Anwendungen geeignet. Die Schicht bricht nicht und blättert nicht ab. Es sind keine Korrekturmaßnahmen erforderlich und die Heizung kann weiterhin funktionieren. Wenn eine durchscheinende Oberfläche zur visuellen Inspektion gewünscht wird, kann die Beschichtung durch Abwischen mit einem leichten Schleifmittel entfernt werden.
Bereitstellung einer gut informierten Spezifikation
Bei einer PFA-Mantelheizung in 98 %iger Schwefelsäure bei 180 Grad würde man erwarten, dass sie nach 500 Stunden eine weiße kristalline Oberflächenschicht aufweist. Diese Schicht verbessert die Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet kein Scheitern. Geben Sie Standard-PFA an, keine zusätzlichen Qualitäten erforderlich. Der Ingenieur weiß, dass die Oberflächenrekristallisation ein natürlicher Prozess ist und nicht einfach nur wartungsfähige Heizgeräte ersetzt.
