Ako sa mení tepelná vodivosť PTFE s teplotou a obsahom plniva?

Hlavnou tepelnou nevýhodou PTFE je jeho obmedzená vodivosť tepla. Táto vlastnosť však nie je konštantná, ale mení sa s teplotou a možno ju upraviť pridaním chemikálií. Toto pochopenie týchto rozdielov umožňuje predpovedať výkon ohrievača v prevádzke. Analyzuje sa vplyv teplotného plniva na tepelnú vodivosť PTFE a teplotná závislosť a zloženie materiálu sú priamo zahrnuté v konštrukčných limitoch prenosu tepla.

Čistý PTFE: základné tepelné správanie
Čistý PTFE má tepelnú vodivosť asi 0,25 W/m K pri teplote okolia. To ho pekne zaraďuje medzi polyméry s nízkou vodivosťou, podstatne menej ako kovy a dokonca aj mnohé technické plasty.

So zvyšujúcou sa teplotou sa tepelná vodivosť mierne zvyšuje. Nárast je mierny a nemení podstatný izolačný charakter materiálu. Elektrická vodivosť PTFE nedosahuje kovovú úroveň ani pri vysokých teplotách. Stále je to tepelná bariéra. Dochádza k minimálnemu zlepšeniu účinnosti prenosu tepla, keďže sa zvyšuje molekulárna mobilita.

Stojí za zmienku, že toto zlepšenie závislé od teploty je trochu malé v porovnaní s celkovo slabou základnou vodivosťou.

Vplyv teploty na schopnosť prenosu tepla
Pomalé zvyšovanie s zahrievaním
Molekulárna mobilita PTFE stúpa so zvyšujúcou sa teplotou, čo vedie k o niečo efektívnejšiemu transportu fonónov. Výsledkom je mierne zlepšenie tepelnej vodivosti, hoci materiál je stále z veľkej časti izolant.

V praktických tepelných systémoch to znamená, že odozva ohrievača cez PTFE plášte je stále obmedzená vodivým odporom. Nárast teploty materiálu je teda značne závislý od povrchového tepelného toku a hrúbky, a nie od zmeny objemovej vodivosti.

Aj pri vysokých prevádzkových podmienkach PTFE stále pôsobí ako ochranná bariéra, nie ako účinný rozdeľovač tepla.

Účinky plnív na tepelnú vodivosť
Úpravy uhlíka, grafitu a skla
Použitie plnív vedie k významným zmenám vo vodivosti. Použitím uhlíkových plnív, ako sú sadze alebo grafit oproti pôvodnému PTFE, sa tepelná vodivosť môže zvýšiť dvakrát až trikrát. Sklenené vlákna tiež menia tepelné správanie, aj keď vo všeobecnosti nemajú taký významný vplyv, pokiaľ ide o zvýšenie vodivosti.

Výsledkom takýchto zmien sú kompozitné materiály s čiastočne zlepšenými kanálmi prenosu tepla cez vodivé výplňové siete zabudované do polymérnej matrice.

Zvýšenie tepelnej vodivosti má však-výhody. Znižuje sa mechanická pružnosť, znižuje sa predĺženie pri pretrhnutí a zvyšuje sa krehkosť. Takéto zmeny ovplyvňujú trvanlivosť pri tepelných cykloch a mechanickom namáhaní z dlhodobého hľadiska.

Okrem toho môžu plnivá oslabiť chemickú odolnosť alebo vytvoriť mikrokanály, ktoré by mohli narušiť úplnú inertnosť potrebnú v ultra-čistom chemickom prostredí.

Zhrnutie porovnania tepelnej vodivosti