पीटीएफई की सतही ऊर्जा इसके गैर-छड़ी और एंटी-फाउलिंग गुणों में कैसे योगदान करती है?

गंदगी फैलाने वाले स्नानघर से निकाला गया पीटीएफई इमर्शन हीटर अक्सर साधारण धुलाई से अपना जमाव खो देता है, लेकिन धातु हीटर को खुरचने या एसिड से साफ करने की आवश्यकता होती है। गैर-छड़ी गुण पीटीएफई की मूलभूत सतह रसायन विज्ञान से उत्पन्न होते हैं। सतह ऊर्जा और दूषण प्रतिरोध के बीच संबंध अच्छी तरह से स्थापित है और यह समझाने में मदद करता है कि पीटीएफई आक्रामक जमा उत्पादक स्थितियों में पसंद की सामग्री क्यों बनी हुई है।

भूतल ऊर्जा क्या है? एक स्पष्ट स्पष्टीकरण
सतही ऊर्जा इस बात का माप है कि कोई सतह अन्य सामग्रियों जैसे तरल पदार्थ, ठोस या अर्ध-ठोस जमाव को कितनी अच्छी तरह आकर्षित करती है। स्वच्छ धातु या कांच उच्च ऊर्जा वाली सतहें हैं और इनमें जबरदस्त आकर्षण होता है। उच्च ऊर्जा वाली सतह के संपर्क में आने वाला तरल पदार्थ फैल जाएगा (सतह को गीला कर देगा) और बहुत अच्छी तरह से चिपक जाएगा। इसके विपरीत, कम ऊर्जा वाली सतहें कमजोर आकर्षक प्रभाव पैदा करती हैं। तरल पदार्थ मनके या बूंदों के रूप में निकलते हैं, फैलते नहीं हैं, और ठोस पदार्थों को मजबूत चिपकने वाला बंधन बनाने में समस्या होती है।

PTFE की सतह ऊर्जा बहुत कम है। पीटीएफई का क्रांतिक सतह तनाव लगभग 18 - 20 डायन प्रति सेंटीमीटर है। (यही मात्रा अक्सर मिलीन्यूटन प्रति मीटर या एमएन/एम के रूप में लिखी जाती है)। इसकी तुलना में, परिवेश के तापमान पर पानी का सतह तनाव लगभग 72 डायन/सेमी है। पीटीएफई पानी को गीला नहीं करता है। पानी का सतही तनाव पीटीएफई की सतही ऊर्जा से काफी अधिक है। पानी अलग-अलग मोतियों का निर्माण करता है जो आसानी से लुढ़क जाते हैं। यही दृष्टिकोण औद्योगिक तापन में आने वाले विभिन्न तरल पदार्थ, घोल और अर्ध-ठोस जमाव पर भी लागू होता है।

पीटीएफई की आणविक संरचना कैसे कम सतह ऊर्जा बनाती है
कम सतह ऊर्जा पीटीएफई की आणविक संरचना के कारण है। पीटीएफई उन अणुओं से बना है जिनमें कार्बन परमाणुओं की लंबी श्रृंखला होती है, प्रत्येक कार्बन परमाणु में दो फ्लोरीन परमाणु जुड़े होते हैं। फ्लोरीन परमाणु बहुत विद्युत ऋणात्मक होते हैं, और वे कार्बन बैकबोन पर एक सघन सघन बाहरी परत बनाते हैं। इस फ्लोराइड युक्त सतह में अन्य पदार्थों के साथ परस्पर क्रिया करने में बहुत कमजोर अंतर-आण्विक बल (वैन डेर वाल्स बल) होते हैं। मूल रूप से, बहुत कम चीजें हैं जो पीटीएफई सतह पर स्थायी संबंध बनाने के लिए पर्याप्त रूप से "चिपकी" रह सकती हैं।

यह बताया जाना चाहिए कि यह गुणवत्ता सामग्री के लिए मौलिक है और समय के साथ नष्ट नहीं होती है। यह कुछ नॉनस्टिक कोटिंग्स से अलग है जो खराब हो जाती हैं या जिन्हें अंतराल पर दोबारा लगाना पड़ता है। PTFE की कम सतह ऊर्जा एक बड़ी विशेषता है। नए उजागर पीटीएफई में सतह की ऊर्जा उतनी ही कम होती है, भले ही सतह क्षतिग्रस्त या घिसी हुई हो।

सतह की कम ऊर्जा किस प्रकार गैर-छड़ी और गंदगी-विरोधी गुणों में तब्दील हो जाती है
पीटीएफई सतह ऊर्जा नॉन स्टिक फाउलिंग प्रतिरोध के साथ संबंध रैखिक और पूर्वानुमानित है। क्योंकि पीटीएफई में अधिकांश विशिष्ट फाउलेंट की तुलना में कम सतह ऊर्जा होती है, इसलिए मजबूत चिपकने वाले बंधन नहीं बन सकते हैं। खनिज पैमाने (कैल्शियम कार्बोनेट, कैल्शियम सल्फेट), धातु कीचड़ (प्लेटिंग स्नान से निकल, तांबा, जस्ता कण), पॉलिमराइज्ड अवशेष और कार्बनिक जमा के लिए उच्च सतह ऊर्जा मौजूद हैं। जब वे पीटीएफई सतह पर जमा होने का प्रयास करते हैं, तो इंटरफेशियल ऊर्जा आसंजन के लिए प्रतिकूल होती है। जमाव या तो चिपकते नहीं हैं, या इतने खराब तरीके से चिपकते हैं कि वे नियमित तरल प्रवाह या हल्के सफाई कुल्ला द्वारा हटा दिए जाते हैं।

वास्तव में, यह व्यवहार कई मापने योग्य लाभ देता है:

कम स्केलिंग - कठोर पानी के स्केल में इन्सुलेशन परत बनने की तुलना में पीटीएफई हीटर के टूटने और परत बनने की संभावना अधिक होती है।

न्यूनतम धातु कीचड़ आसंजन - पीटीएफई हीटर स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम हीटर की तुलना में इलेक्ट्रोप्लेटिंग और धातु परिष्करण टैंक में बहुत कम धातु जमा के संपर्क में आते हैं।

साफ़ करने में आसान - यदि कोई जमाव बनता है, तो आमतौर पर कम दबाव वाले पानी से कुल्ला करना या हल्के ब्रश से पास करना ही आवश्यक होता है। कठोर यांत्रिक स्क्रबिंग या मजबूत रासायनिक सफाई एजेंटों की शायद ही कभी आवश्यकता होती है।

कम फाउलिंग कारक पीटीएफई हीटर पूरे समय गर्मी हस्तांतरण गणना में अधिक स्थिर प्रदर्शन बनाए रखते हैं क्योंकि फाउलिंग फैक्टर (जमा द्वारा जोड़ा गया थर्मल प्रतिरोध) कम रहता है।

अन्य सामग्रियों की तुलना में पीटीएफई की सतही ऊर्जा
सामान्य हीटर शीथ सामग्री और अन्य संदर्भ सतहों के संबंध में पीटीएफई की स्थिति निम्नलिखित तालिका में दिखाई गई है। कम सतह ऊर्जा=बेहतर गैर -छड़ी गुण

मटेरियल क्रिटिकल सतही ऊर्जा (डाइन/सेमी या एमएन/एम) सापेक्ष गैर-छड़ी प्रदर्शन
पीटीएफई (पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन) 18 - 20 उत्कृष्ट (न्यूनतम चिपकने वाला)
पेरफ्लुओरोअल्कोक्सी एल्केन (पीएफए)18-20 पीटीएफई से तुलनीय
फ्लोरिनेटेड एथिलीन प्रोपलीन (एफईपी) 18 - 19 पीटीएफई की तरह
सिलिकॉन रबर 22-24अच्छा है लेकिन रसायनों के प्रति उतना प्रतिरोधी नहीं है
पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) 29 - 31 मध्यम गैर - छड़ी
स्टेनलेस स्टील (स्वच्छ, निष्क्रिय) 70 - 110 खराब; कई जमाएँ कसकर चिपक जाती हैं
ग्लास 70 - 100खराब; स्केल और ऑर्गेनिक्स आसानी से चिपक जाते हैं
पानी (सतह तनाव, तुलना के लिए) 72 (ठोस नहीं, लेकिन दिखाता है कि पानी मोती क्यों)
अन्य कम सतह ऊर्जा पॉलिमर जैसे पॉलीप्रोपाइलीन की तुलना में पीटीएफई का एक प्रमुख लाभ इसकी रासायनिक जड़ता है। पॉलीप्रोपाइलीन गैर-चिपचिपा हो सकता है, लेकिन यह पीटीएफई की तरह उच्च तापमान या कठोर एसिड और सॉल्वैंट्स का सामना नहीं करता है। पीएफए ​​और एफईपी दोनों समान कम सतह ऊर्जा वाले पीटीएफई के समान फ्लोरोपॉलीमर हैं। इन्हें अक्सर पीटीएफई के विकल्प के रूप में नियोजित किया जाता है जहां पारदर्शिता या विभिन्न प्रसंस्करण विशेषताओं की आवश्यकता होती है।

हीटर के रखरखाव और गर्मी हस्तांतरण के लिए व्यावहारिक निहितार्थ
पीटीएफई की यह नॉन{0}}स्टिक सुविधा सीधे तौर पर दो महत्वपूर्ण परिचालन कारकों को प्रभावित करती है: रखरखाव अंतराल और गर्मी हस्तांतरण दक्षता।

रखरखाव आवृत्ति - निकल चढ़ाना स्नान के लिए स्टेनलेस स्टील हीटर को बाहर निकालने और धातु कीचड़ के निर्माण को हटाने के लिए साप्ताहिक रूप से एसिड डुबाने की आवश्यकता हो सकती है। एक समान स्नान में एक पीटीएफई हीटर केवल मासिक कुल्ला के साथ महीनों तक चल सकता है और फिर भी जमा आसानी से निकल जाता है। रखरखाव डाउनटाइम में यह कमी उच्च उत्पादन उपलब्धता में तब्दील हो जाती है।

ताप संचरण दक्षता - हीटर की सतह पर जमा थर्मल इन्सुलेटर के रूप में व्यवहार करता है। जैसे ही धातु हीटर पर जमा या कीचड़ जमा होता है, जमा सतह पर वाट घनत्व बढ़ जाता है (क्योंकि एक ही शक्ति एक छोटे प्रभावी क्षेत्र में दी जा रही है), जिसके परिणामस्वरूप स्थानीयकृत अति ताप और अतिरिक्त जमा सख्त हो जाता है। पीटीएफई की गैर-छड़ी सतह इस स्वयं को मजबूत करने वाले दूषण चक्र को बाधित करती है। हीटर अपने डिजाइन ताप हस्तांतरण गुणांक को काफी लंबे समय तक बरकरार रखता है।

ध्यान दें कि PTFE में स्वयं मामूली ताप चालकता (लगभग 0.25 W/m·K) है जैसा कि पिछले अनुभागों में बताया गया है। इसके लिए सतर्क वाट घनत्व डिज़ाइन की आवश्यकता होती है, फिर भी एंटी-फ़ूलिंग विशेषता बाहरी सतह को साफ रखकर थर्मल प्रतिरोध की भरपाई करने में मदद करती है। धातु की काफी अधिक अंतर्निहित चालकता के बावजूद, एक साफ पीटीएफई सतह अत्यधिक दूषित धातु की सतह की तुलना में बेहतर गर्मी संचारित करती है।

बाधाएं और विचार
कोई भी पदार्थ हर परिस्थिति में पूरी तरह से गैर-चिपचिपा नहीं होता। अत्यधिक लगातार जमाव, जैसे कि कार्बोनाइज्ड अवशेषों या कुछ ठीक किए गए पॉलिमर कोटिंग्स पर बेक किया हुआ, पीटीएफई तक भी चिपक सकता है। इसके अलावा, यदि पीटीएफई सतह शारीरिक रूप से क्षतिग्रस्त है (गहरी खरोंच या गॉज), तो जमाव यांत्रिक रूप से क्षति स्थलों के साथ जुड़ने में सक्षम होते हैं और इस तरह प्रभावी नॉन-स्टिक प्रदर्शन को कम कर देते हैं। हालाँकि, ऐसी परिस्थितियों में भी, मजबूत आसंजन का क्षेत्र अभी भी स्थानीयकृत है और धातु की सतहों की तुलना में कुल गंदगी अभी भी कम है।

एक व्यावहारिक बिंदु: पीटीएफई की कम सतह ऊर्जा का मतलब है कि अधिकांश चिपकने वाले या कोटिंग्स बड़ी कठिनाई से चिपकते हैं। यह हीटर शीथ के लिए कोई समस्या नहीं है, लेकिन मरम्मत या फ़ील्ड संशोधन को और अधिक कठिन बना सकता है यदि पीटीएफई से जुड़ना बहुत आवश्यक है, तो हीटर निर्माताओं द्वारा विशिष्ट सतह उपचार का उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए नमक नक़्क़ाशी)।

सारांश: कठिन अनुप्रयोगों में कम रखरखाव और बढ़ी हुई सेवा जीवन
पीटीएफई के प्रसिद्ध गैर-छड़ी और एंटी-फाउलिंग गुणों का वैज्ञानिक कारण इसकी कम सतह ऊर्जा है ~18 डायन/सेमी। पीटीएफई की सतह की विशेषताएं जिससे अधिकांश तरल पदार्थ और ठोस दृढ़ता से जुड़ नहीं सकते हैं, इसलिए खनिज पैमाने, धातु कीचड़ और कार्बनिक जमाव नहीं बनते हैं या न्यूनतम सफाई प्रयास के साथ जल्दी से हटा दिए जाते हैं।

यह विशेषता रखरखाव डाउनटाइम को कम करती है, गर्मी हस्तांतरण दक्षता को बनाए रखती है और कठोर रासायनिक और चढ़ाना अनुप्रयोगों में पीटीएफई विसर्जन हीटरों के परिचालन जीवन को बढ़ाती है। धातु हीटर बढ़ती गंदगी के अधीन हैं जो प्रदर्शन को कम करते हैं और आक्रामक सफाई की आवश्यकता होती है, लेकिन पीटीएफई हीटर में साफ सतह और लगातार आउटपुट होता है। अपनी रासायनिक जड़ता, थर्मल स्थिरता और कम सतह ऊर्जा के कारण पीटीएफई आक्रामक, जमा बनाने वाली प्रक्रिया तरल पदार्थों को गर्म करने के लिए एक अद्वितीय सामग्री है।