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?
Eine Nachricht hinterlassen
Nach 500-stündiger Einwirkung von 98 %iger Schwefelsäure bei 180 Grad bildet PFA (Perfluoralkoxy) eine weiße, kristalline Oberflächenschicht. Es besteht aus hochorientierten rekristallisierten PFA-Ketten, die durch die kombinierte Wirkung von Hitze und Säure getempert wurden. Die Oberflächenrekristallisation erhöht die Kristallinität des Polymers von 35–45 % (extrudiert) auf 55–65 % in der Oberflächenschicht. Die kristalline Schicht weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit (0,35–0,40 W/mK) auf als der amorphe Bereich (0,20–0,25 W/mK), was zu einer Gesamtverbesserung der Wärmeübertragung um 15–25 % führt. Die Schicht ist stabil und weist keine Anzeichen einer Beschädigung auf.
Mechanismus der säureinduzierten Rekristallisation von PFA
PFA liegt über seiner Glasübergangstemperatur (160 Grad), aber unter seiner Schmelztemperatur (260 Grad) bei 180 Grad. Konzentrierte Schwefelsäure plastifiziert die amorphen Bereiche und führt zu einer Neuorganisation der Polymerketten in geordnetere, kristalline Strukturen. Die Rekristallisation ist ein Oberflächenvorgang (20–50 µm tief), da die Säure nicht tiefer in das Polymer eindringen kann. Die weiße Farbe entsteht durch Lichtstreuung an den Kristalliten. Es ähnelt dem Glühen und beeinträchtigt die mechanische Festigkeit nicht.
Quantitative Änderung der Kristallinität und Wärmeleitfähigkeit
Folgendes wurde durch kontrollierte Tests von PFA in 98 % H₂SO₄ bei 180 Grad ermittelt. Zeit (h) Oberflächenkristallinität (%) Massenwärmeleitfähigkeit (W/m·K) Oberflächenerscheinung 0 35–45 0.22–0,26 Durchscheinend Die Oberflächenkristallinität beträgt 45–50 % und die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,24–0,28 W/mK und die Oberfläche ist nach 100 Stunden etwas weißlich. Die Oberflächenkristallinität beträgt nach 500 Stunden 55–65 %, die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,28–0,32 W/m·K und die Oberfläche ist weiß und undurchsichtig. Nach 1.000 Stunden beträgt die Oberflächenkristallinität 60–70 %, die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,30–0,35 W/m·K und die Oberfläche ist völlig weiß. Die Kristallinität stabilisiert sich nach etwa 2000 Stunden und bleibt danach konstant.
Rekristallisationseffekt auf mechanische Eigenschaften
Einwirkzeit (Stunden) Oberflächenkristallinität (%)Massenkristallinität (%)Zugfestigkeitserhaltung (%Dehnungserhaltung % 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
Diese kristalline Oberflächenschicht eignet sich aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit gut für die Wärmeübertragung. Der geringe Abfall der Bruchdehnung (80–85 % Retention nach 2.000 Stunden) ist für die meisten Anwendungen geeignet. Ohne Flocken-, ohne Schale-. Keine Schadensbegrenzung erforderlich. Die Heizung kann normal betrieben werden. Wenn zur visuellen Kontrolle eine durchscheinende Oberfläche gewünscht wird, kann die Beschichtung mit einem leichten Schleifmittel entfernt werden.
Erstellen einer fundierten-Spezifikation
Bei einer PFA-Mantelheizung in 98 %iger Schwefelsäure bei 180 Grad können Sie nach 500 Stunden mit einer weißen kristallinen Oberflächenschicht rechnen. Die Schicht erhöht die Wärmeleitfähigkeit und zeigt keinen Ausfall an. Geben Sie Standard-PFA an, keine besonderen Qualitäten erforderlich. Der Ingenieur weiß, dass die Oberflächenrekristallisation ein natürlicher Vorgang ist und vermeidet den unnötigen Austausch funktionsfähiger Heizelemente.
