بررسی فلوئوروپلیمرها در صنعت 5G با استفاده از FTIR

امروزه استفاده از مواد و پلیمرهایی با قابلیت بالا در مقابل خوردگی شیمیایی در محیط های اسیدی و قلیایی و در عین حال مقاومت و پایداری بالای ساختار آنها در برابر حرارت بالا افزایش یافته است. امروزه شاهد افزایش تقاضا برای فلوروپلیمرها، پلیمرهایی حاوی اتم فلوئور در طیف وسیعی از صنعت مانند صنایع شیمیایی تا صنعت 5G هستیم و این امر به موجب ویژگی های ساختاری بالای این فلوئوروپلیمرها در برابر تغییرات محیطی می باشد. در این مقاله ما کوشیده ایم با استفاده از طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) تغییرات ساختاری در یکی از پرکاربردترین فلوئوروپلیمرها مانند پلی تترافلوئورواتیلن در 5G را نشان دهیم.

نسل پنجم سیستم ارتباطات سیار

5G (fifth-generation mobile communications system) نسل پنجم سیستم ارتباطات سیار می باشد. به عبارتی یک سیستم ارتباطی جدید سیار با ویژگی های همچون سرعت بالا، ظرفیت بالا، تاخیر کم و چندین اتصال همزمان. این به نوبه خود، توسعه خدمات بهداشتی از راه دور، مراقبت های بهداشتی در خانه، رانندگی خودکار و پیش بینی تراکم را تسریع می کند و فناوری ها و خدمات جدیدی را وارد زندگی ما می کند. رشد 5G به گوشی های هوشمند و سایر ترمینال ها نیار دارد، به دستگاه هایی که از بردهای مدار چاپی با فرکانس بالا (PCBs) با ویژگی های الکتریکی خوب استفاده می کنند.

این نیاز علاقه روزافزونی به مواد جدیدی ایجاد کرده است که می توانند جایگزین FR-4 (مواد بستر PCB ساخته شده از پارچه شیشه ای آغشته به رزین اپوکسی) و بسترهای پلی آمید شیشه ای که از پلی آمیدها استفاده می کنند، شوند. پلیمرهای کریستال مایع (LCPs) و فلورئوروپلیمرها (fluoropolymers) دو نمونه معمولی و رایج از این مواد جایگزین هستند.

Fluoropolymers فلوئوروپلیمرها

فلوروپلیمرها نوعی از پلیمرها می باشند که اساس ساختاری آنها مبتنی بر فلوئوروکربن با پیوندهای کربن -فلوئور است. به واسطه یک ثابت دی الکتریک پایین، رطوبت کم، ویژگی های حرارتی و عایقی عالی، فلوروپلیمرها در PCBهای فرکانس بالا، جاییکه آنها از رشد 5G ساپورت میکنند مورد استفاده قرار میگیرنند. یکی از پرکاربردترین فلوروپلیمرها، پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) است.

پلی تترافلوراتیلن

پلی تترافلوراتیلن یک پلیمر ترموپلاستیک می باشد، که در دمای اتاق به صورت یک جامد سفید رنگ می باشد، اما به طور کلی به صورت گرانول، پودر ریز دیسپرسیون پایه آب موجود است. پلی تترافلوراتیلن دارای ویژگی ها و خصوصیاتی است، که منجر به استفاده این پلیمر در طیف وسیعی از صنایع شیمیایی، الکتریکی و کاربرد به عنوان نوارتفلون برای مصارف لوله کشی، نفت و گاز، فرآیند های شیمیایی، صنعتی تا بخش های الکتریکی و ساختمانی و غیره شده است. از این ویژگی ها می توان به بی اثر بودن شیمیایی، دارای مقاومت شیمیایی، مقاومت حرارتی نسبت به دمای بالا و پایین، خواص عایق الکتریکی، خواص ضد چسبندگی در دامنه دمایی وسیع اشاره نمود.

ارزیابی تغییرات ساختاری تحت گرما توسط دستگاه FTIR

دستگاه FTIR به منظور ارزیابی تغییرات ساختاری در PTFE تحت گرمایش استفاده می شود. اندازه گیری ها با استفاده از دستگاه FTIR مدل IRTracer-100 و لوازم جانبی GladiATR ATR با کارایی بالا (PIKE Technologies) که مراحل نمونه سازی را تسهیل می بخشد و امکان آنالیز و گرفتن گراف نمونه های غیر شفاف را توسط دستگاه طیف سنجی FTIR را امکان پذیر می سازد انجام می شود.

شرایط اندازه گیری مورد استفاده به صورت زیر می باشد:

• Equipment: IRTracer-100, GladiATR (diamond prism)
• Resolution: 4cm^-1
• Accumulation: 40
• Wavenumber Range: 4,000 to 400 cm^-1
• Apodization Function: Sqr triangle

GladiATOR یک وسیله جانبی ATR است که بالاترین توان انرژی، بالاترین فشار موجود، محدوده وسیعی از تعداد موج و صفحه کریستالی اختیاری سازگار با دماهای بالا را فراهم می کند. دو صفحه گرمایش با حداکثر دمای 210 درجه سانتیگراد و 300 درجه سانتیگراد برای GladiATOR موجود است. در این آزمایش ( ارزیابی تغییرات ساختاری پلی تترافلوئوراتیلین با استفاده از دستگاه مادون قرمز فوریه) از صفحه 300 درجه سانتی گراد استفاده شد. یک کنترل کننده دمای قابل برنامه ریزی که می تواند از طریق رایانه کنترل شود نیز برای GladiATOR موجود است. PTFE در دمای 200 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه و در دمای 300 درجه سانتیگراد برای 60 دقیقه گرم شد و با FTIR برای بررسی تغییرات ساختاری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

شکل زیر پوششی از هر طیف مادون قرمز ثبت شده با دستگاه طیف سنج فروسرخ فوریه FTIR را نشان می دهد.

پیک های اصلی و پیک های نشان دهنده اکسیداسیون بدون تغییر مانده بودند حتی زمانی که PTFE به مدت 180 دقیقه تحت دمای 300 درجه سانتی گراد قرار گرفته بود. این نتایج تاییدی بر مقاومت حرارتی عالی PTFE می باشد که ساختار آن تحت گرمای بالا بدون تغییر باقی مانده است.

ارزیابی تغییر جرم هنگام گرم کردن توسط TG-DTA

TG-DTA یک نوع آنالیز حرارتی می باشد. که به تجزیه و تحلیل ویژگی های یک نمونه تحت تاثیر دمای اعمال شده می پردازد. در روش ذکر شده نمونه معمولا در فاز جامد بوده و تحت تاثیر گرمای اعمال شده دچار تغییراتی همچون ذوب، انتقال فاز، تصعید و تجزیه می گردد. TGمخفف عبارت Thermograviticmetric Analysis به معنای تجزیه و تحلیل حرارتی می باشد که به تجزیه و تحلیل جرم یک نمونه تحت تاثیر حرارت و زمان می پردازد. این نوع از آنالیز حرارتی در فرآیندهای کم آبی، دفع و اکسیداسیون بسیار کاربرد دارد.

یکی از رایج ترین روش های آنالیز حرارتی می توان به روش آنالیز حرارتی دیفرانسیل DTA اشاره نمود. در این روش آنالیز حرارتی دمای نمونه طی یک تغییر برنامه ریزی شده با دمای یک ماده مرجع بی اثر مقایسه میشود. نکته بسیار مهم در طی انجام این آنالیز حرارتی ثابت ماندن دما تا اتمام فرآیند حرارتی مانند ذوب، تجزیه یا تغییر در ساختار کریستالی می باشد. در آزمایش ارزیابی تغییرات جرمی PTFE تحت گرما نیز از روش آنالیز حرارتی TG-DTA با استفاده از دستگاه DTG-60H استفاده می شود. شرایط اندازه گیری نیز به صورت زیر می باشد:

• Equipment: DTG-60H
• Sample weights: 9.870 mg
• Atmosphere Gas: air
• Gas FLOWRATE: 100 mL/min
• Measure temperature range: 30 to 700 ⁰c

دستگاه DTG-60H به طور همزمان تغییر جرم نمونه (TG) و اختلاف دمای نمونه و ماده استاندارد را اندازه گیری می کند. دستگاه DTG-60H همچنین قابلیت اندازه گیری تبخیر، جذب و دفع گاز و کم آبی را با تغییر دمای نمونه با سرعت ثابت و اندازه گیری تغییر حاصل در جرم و دمای تفاضلی را دارا می باشد.

شکل زیر نتایج اندازه گیری TG-DTA در هوا را از نمونه پلی تترافلوواتیلن نشان میدهد.

منحنی TG نشان می دهد که PTFE پنج درصد از جرم خود را در دمای 522.2 درجه سانتیگراد و 10٪ از جرم خود را در دمای 533.9 درجه سانتیگراد از دست داده است. منحنی دمای تفاضل نیز نشان می دهد که PTFE در دمای 331.6 درجه سانتی گراد ذوب می شود. جرم PTFE تا حدود 500 درجه سانتیگراد بدون تغییر باقی ماند، که نشان می دهد PTFE دمای تجزیه بالاتری دارد و از نظر حرارتی پایدارتر از اکثر پلاستیک ها است.

شرکت ری نور آزما ارائه دهنده انواع دستگاه های طیف سنجی مانند طیف سنج مادون قرمز فوریه FTIR و انواع مدل های آن از جمله IRTrace-100, IRSpirit می باشد. در صورت تمایل به خرید دستگاه FTIR و قطعات مصرفی یا هر گونه سوال فنی میتوانید با کارشناسان مجرب شرکت ری نور آزما در بخش فروش و فنی تماس حاصل فرمایید.