PTFE의 표면 에너지는 어떻게 -점착 방지 및{1}}오염 방지 특성에 기여합니까?

오염되기 쉬운-욕조에서 제거한 PTFE 침지 히터는 간단한 헹굼으로 침전물을 잃는 경우가 많지만, 금속 히터는 긁어내거나 산으로 세척해야 합니다. 들러붙지 않는 특성은-PTFE의 기본적인 표면 화학에서 비롯됩니다. 표면 에너지와 내오염성 사이의 상관관계는 잘 확립되어 있으며 공격적인 침전물 생성 상황에서 PTFE가 여전히 선택되는 재료로 남아 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

표면에너지란 무엇인가? 평범한 설명
표면 에너지는 표면이 액체, 고체 또는 반고체 퇴적물과 같은 다른 물질을 얼마나 잘 끌어당기는지를 측정한 것입니다. 깨끗한 금속이나 유리는 에너지가 높은 표면이며 엄청난 매력을 가지고 있습니다. 높은-에너지 표면과 접촉한 액체는 퍼지고(표면을 적시며) 매우 잘 접착됩니다. 대조적으로, 낮은 에너지 표면은 약한 인력 효과를 생성합니다. 액체는 퍼지지 않고 구슬 모양이나 물방울이 되는 경향이 있으며, 고체는 강력한 접착 결합을 만드는 데 문제가 있습니다.

PTFE는 표면 에너지가 매우 낮습니다. PTFE의 임계 표면 장력은 센티미터당 약 18-20다인입니다. (이 동일한 양은 종종 미터당 밀리뉴턴 또는 mN/m로 표시됩니다.) 이에 비해, 주변 온도에서 물의 표면 장력은 약 72dynes/cm입니다. PTFE는 물을 적시지 않습니다. 물의 표면 장력은 PTFE의 표면 에너지보다 상당히 높습니다. 물은 쉽게 굴러가는 별개의 구슬을 형성합니다. 산업용 난방에서 발생하는 다양한 액체, 슬러리 및 반고체 침전물에도 동일한 접근 방식이 적용됩니다.

PTFE의 분자 구조가 낮은 표면 에너지를 생성하는 방법
낮은 표면 에너지는 PTFE의 분자 구조 때문입니다. PTFE는 탄소 원자의 긴 사슬을 가진 분자로 만들어지며, 각 탄소 원자에는 두 개의 불소 원자가 붙어 있습니다. 불소 원자는 전기음성도가 매우 높으며 탄소 골격에 밀집된-밀집된 외부 층을 형성합니다. 이 불소화 표면은 다른 물질과 상호 작용할 때 분자간 힘(반 데르 발스 힘)이 매우 약합니다. 기본적으로 영구적인 관계를 형성할 만큼 PTFE 표면에 "붙을" 수 있는 물질은 거의 없습니다.

이 품질은 재료의 기본이며 시간이 지나도 쇠퇴하지 않는다는 점을 지적해야 합니다. 이는 마모되거나 일정 간격으로 다시 도포해야 하는 일부 붙지 않는 코팅과는 다릅니다. PTFE의 낮은 표면에너지는 큰 특징입니다. 새로 노출된 PTFE는 표면이 손상되거나 마모되더라도 동일한 낮은 표면 에너지를 갖습니다.

낮은 표면 에너지가 -점착 방지 및 오염 방지 특성을-전환하는 방법
PTFE 표면 에너지 비점착 오염 저항과의 관계는 선형적이고 예측 가능합니다. PTFE는 대부분의 일반적인 오염물질보다 표면 에너지가 낮기 때문에 강력한 접착 결합을 형성할 수 없습니다. 광물 스케일(탄산칼슘, 황산칼슘), 금속 슬러지(도금조의 니켈, 구리, 아연 입자), 중합 잔류물 및 유기 침전물의 경우 더 높은 표면 에너지가 존재합니다. PTFE 표면에 증착하려고 하면 계면 에너지가 접착력에 좋지 않습니다. 침전물은 접착되지 않거나 접착력이 너무 약하여 정기적인 유체 흐름이나 부드러운 세척 헹굼으로 제거됩니다.

실제로 이 동작은 측정 가능한 여러 가지 이점을 제공합니다.

스케일링 감소 - 경수 스케일은 절연층에 쌓이기보다는 PTFE 히터에서 부서지거나 벗겨질 가능성이 더 높습니다.

최소 금속 슬러지 부착 - PTFE 히터는 스테인레스 스틸 또는 티타늄 히터보다 전기 도금 및 금속 마감 탱크에서 금속 침전물에 훨씬 덜 노출됩니다.

청소가 용이함 - 침전물이 생긴 경우 일반적으로 저압으로 물로 헹구거나 부드러운 브러시를 사용하면 됩니다. 거친 기계 세척이나 강력한 화학적 세척제가 필요한 경우는 거의 없습니다.

낮은 오염 요인 PTFE 히터는 오염 요인(침착물에 의해 추가된 열 저항)이 낮게 유지되기 때문에 시간이 지남에 따라 열 전달 계산에서 보다 일정한 성능을 유지합니다.

다른 소재와 비교한 PTFE의 표면 에너지
일반적인 히터 피복 재료 및 기타 기준 표면에 대한 PTFE의 위치는 다음 표에 나와 있습니다. 낮은 표면 에너지=향상된 비점착성-

재료 임계 표면 에너지(dyne/cm 또는 mN/m) 상대 비점착 성능-
PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 18 – 20 우수(최소 접착제)
퍼플루오로알콕시 알칸(PFA)18 – 20 PTFE와 유사
불소화 에틸렌 프로필렌(FEP)18 – 19 PTFE와 유사
실리콘 고무 22-24좋으나 화학물질에 대한 내성은 낮음
폴리프로필렌(PP) 29 – 31 보통 비점착성-
스테인레스 스틸(청정, 부동태화) 70 – 110 불량; 많은 침전물이 단단히 달라붙어 있음
유리 70 - 100나쁨; 물때와 유기물이 쉽게 달라붙습니다.
물(비교용 표면장력) 72(고체는 아니지만 물이 구슬이 되는 이유를 보여줌)
폴리프로필렌과 같은 표면 에너지가 낮은 다른 폴리머에 비해 PTFE의 주요 장점 중 하나는 화학적 불활성입니다. 폴리프로필렌은 달라붙지 않을 수 있지만-PTFE와 같은 고온이나 가혹한 산 및 용제에 견디지 못합니다. PFA와 FEP는 둘 다 PTFE와 유사한 불소중합체로 표면 에너지가 비슷합니다. 이는 투명성이나 다양한 가공 특성이 요구되는 곳에서 PTFE의 대안으로 자주 사용됩니다.

히터 유지 관리 및 열 전달에 대한 실질적인 의미
PTFE의 이 -점착 방지 기능은 두 가지 중요한 작동 요소인 유지 관리 간격과 열 전달 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.

유지 관리 빈도 – 니켈 도금 욕조에서는 쌓인 금속 슬러지를 제거하기 위해 매주 스테인레스 스틸 히터를 꺼내고 산에 담가야 할 수도 있습니다.- 비슷한 욕조에 있는 PTFE 히터는 한 달에 한 번만 헹구기만 하면 몇 달 동안 작동할 수 있으며 그 후에도 침전물이 쉽게 벗겨집니다. 유지보수 중단 시간이 줄어들면 생산 가용성이 높아집니다.

열 전달 효율 - 히터 표면의 침전물은 단열재 역할을 합니다. 금속 히터에 퇴적물이나 슬러지가 쌓이면 퇴적물 표면의 와트 밀도가 증가하여(동일한 전력이 더 작은 유효 면적에 걸쳐 제공되기 때문에) 국부적인 과열과 추가적인 퇴적물 경화가 발생합니다. PTFE의 비{3}}표면은 이러한 자기 강화 오염 주기를 방해합니다.- 히터는 상당히 오랜 시간 동안 설계 열 전달 계수를 유지합니다.

이전 섹션에서 설명한 것처럼 PTFE 자체는 적당한 열 전도성(약 0.25W/m·K)을 가지고 있습니다. 이를 위해서는 신중한 와트 밀도 설계가 필요하지만 -오염 방지 특성은 외부 표면을 깨끗하게 유지하여 열 저항을 보상하는 데 도움이 됩니다. 금속의 본질적인 전도성이 훨씬 높음에도 불구하고 깨끗한 PTFE 표면은 심하게 오염된 금속 표면보다 열을 더 잘 전달합니다.

제약사항 및 고려사항
모든 조건에서 완전히 달라붙지 않는-물질은 없습니다. 탄화 잔류물이나 일부 경화된 폴리머 코팅에 구운-과 같은 매우 지속적인 침전물은 PTFE에도 달라붙을 수 있습니다. 또한, PTFE 표면이 물리적으로 손상된 경우(깊은 긁힘 또는 홈) 퇴적물이 손상 부위와 기계적으로 맞물려 효과적인 비점착 성능을 저하시킬 수 있습니다.- 그러나 이러한 상황에서도 강한 접착력이 있는 부분은 여전히 ​​국부적으로 국한되어 있으며 총 오염도는 금속 표면보다 여전히 적습니다.

실용적인 점: PTFE의 표면 에너지가 낮다는 것은 대부분의 접착제나 코팅이 접착하기가 매우 어렵다는 것을 의미합니다. 이는 히터 피복에는 문제가 되지 않지만 수리 또는 현장 수정을 더 어렵게 만들 수 있습니다. PTFE 접착이 매우 필수적인 경우 히터 제조업체는 특정 표면 처리(예: 염 에칭)를 사용합니다.

요약: 어려운 응용 분야에서 유지 관리 감소 및 서비스 수명 연장
PTFE의 유명한 -눌림 방지 및 오염 방지 특성에 대한 과학적 이유는 표면 에너지가 낮기 때문입니다- ~18 dynes/cm. PTFE의 표면 특성은 대부분의 액체 및 고체가 강하게 부착될 수 없기 때문에 미네랄 스케일, 금속 슬러지 및 유기 침전물이 형성되지 않거나 최소한의 세척 노력으로 빠르게 제거됩니다.

이러한 특성은 유지 관리 가동 중지 시간을 줄이고 열 전달 효율을 유지하며 혹독한 화학 및 도금 응용 분야에서 PTFE 침지 히터의 작동 수명을 늘립니다. 금속 히터는 오염이 증가하여 성능이 저하되고 적극적인 청소가 필요하지만 PTFE 히터는 표면이 깨끗하고 출력이 일관됩니다. 화학적 불활성, 열 안정성 및 낮은 표면 에너지로 인해 PTFE는 공격적이고 침전물을 형성하는 공정 유체를 가열하는 데 사용되는 고유한 재료입니다.{2}}