氧化鋁/聚四氟乙烯熱化學反應特性及影響因素

劉瑞華,王亞軍,萬 奕,甘 強

(北京理工大學 爆炸科學與安全防護國家重點實驗室,北京 100081)

引 言

亞穩態分子間復合物,又稱納米鋁熱劑,是由納米金屬(如鋁、鎂等)與氧化劑(如金屬氧化物、氟聚物等)組成,能夠儲存大量化學能并且在需要時快速釋放,具有高能量密度和出色反應特性的一種新型含能材料[1-4]。傳統鋁熱劑以金屬氧化物為氧化劑,存在反應不完全和能量釋放率低的缺陷,鋁/聚四氟乙烯(Al/PTFE)反應材料由于具有較低的點火溫度、較大的產氣量、較低的鋁粉(復合材料中)團聚程度和較高的體系能量釋放率等優點,成為含能材料領域的一大研究熱點[3, 5-11]。研究發現,在納米Al與PTFE的反應過程中,PTFE的分解產物會與Al表面的氧化層發生放熱反應,此反應又會繼續促進PTFE的分解,被稱為預點火反應(Pre-ignition Reaction,PIR)[12]。預點火反應由Al顆粒表面的Al2O3的氟化反應控制,能夠增加活性Al與外界之間的接觸面積,從而促進反應進行,提高反應速率,并釋放更多熱量[13-14]。

對于預點火反應,已有一些實驗結果和相關研究。何麗蓉等[15]研究發現,由于γ-Al2O3的存在,富燃料配比的n-Al/n-PTFE在470～520℃區間出現了預點火現象。吳家祥等[16]研究發現,加入少量納米Al2O3的Al/PTFE材料的放熱性能有所提升,反應更加劇烈。Padhye等[17]研究認為PIR的激烈程度與Al2O3的表面羥基密度成正比。Hobosyan等[18]研究發現,微米Al粉表面的Al2O3在高升溫速率下具有化學活性。胡萬翔等[19]、毛亮等[20]研究發現,粒徑小于50nm的Al粉表面的Al2O3在加熱條件下能與PTFE的分解產物發生反應。Osborne等[12]研究認為,Al2O3與PTFE的反應放熱由Al2O3與PTFE分解產物的反應放熱和AlF3晶型轉變放熱兩部分組成。Pantoya等[21]研究發現,小尺寸和高比表面積的Al2O3能延遲PTFE的分解,降低反應產物AlF3晶型轉變的起始溫度,從而促進PIR的進行。研究認為,可以通過改變PIR來調整Al/PTFE復合材料的整體反應性能,以滿足應用需求。

目前,PIR的相關研究多以Al和PTFE為研究對象,對PIR的具體影響因素、反應條件和反應機理的研究仍處于初步階段。深入了解不同條件(如反應物粒徑、晶型等)下Al2O3與PTFE的熱化學反應行為,能夠進一步探究各種因素對PIR的影響,可為PIR機理研究提供一定支撐,并且通過分析不同條件下PIR對Al/PTFE放熱性能的影響,可為Al/PTFE性能的改進提供思路。為研究不同條件下Al2O3與PTFE的熱化學反應行為,本研究采用超聲混合法制備Al2O3/PTFE復合粉體材料,采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)和傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對樣品的微觀形貌和晶體結構等進行觀察和表征,采用差式掃描量熱(DSC)和熱重(TG)法研究反應物粒徑、Al2O3晶型和升溫速率等對復合材料熱反應性能的影響。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

α-Al2O3粉末(粒徑分別為30、50、80、200nm),純度99.9%,上海麥克林生化科技有限公司;γ-Al2O3粉末(10nm),純度99.9%,上海麥克林生化科技有限公司;PTFE(平均粒徑1μm和5μm),上海麥克林生化科技有限公司;無水AlCl3,純度99%,福晨(天津)化學試劑有限公司;NaOH,純度98%,上海邁瑞爾化學技術有限公司;無水乙醇,優級純,北京化工廠;去離子水,實驗室自制。材料的純度和粒徑數據均由供應商提供,所有材料均在沒有進一步處理的情況下使用。

KQ100B超聲清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;DZF-6020電熱真空干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;H1850臺式高速離心機,湘儀集團;TCXC-1200型高溫馬弗爐,上海仝科電爐設備有限公司;S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM),日本HITACHI;Netsch Jupiter F3同步熱分析儀(DSC-TG),德國耐馳;D8 advance X射線衍射儀(XRD),德國Bruker;TENSOR 27傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR),德國Bruker。

1.2 無定形Al2O3的制備

納米Al表面自然氧化形成的氧化層通常為無定形Al2O3。因此,本研究自制了無定形納米Al2O3。以無水AlCl3和NaOH為原料,采用化學沉淀法制備無定形Al2O3。首先,向AlCl3溶液中緩慢滴加NaOH溶液,至白色沉淀不再增加,采用離心機分離得到Al(OH)3凝膠;將所得凝膠置于100℃真空干燥箱內干燥后,研磨得到Al(OH)3粉末;最后,將粉末在馬弗爐內于300℃焙燒3h,得到無定形Al2O3粉末。制備流程見圖1。

圖1 無定形Al2O3的制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation process of amorphous Al2O3

1.3 Al2O3/PTFE復合材料的制備

采用超聲混合法[22]制備Al2O3/PTFE復合材料。根據兩種材料理論化學反應式Al2O3+1.5/n(—C2F4—)n→2AlF3+3CO,將不同粒徑(30、50、80、200nm)和晶型(α型、γ型、無定形)的Al2O3與PTFE(1μm、5μm)按質量比為34∶66混合均勻,加入分散劑無水乙醇;將混合液磁力攪拌30min,超聲30min,再磁力攪拌1h;最后,將所得懸濁液進行離心處理,得到Al2O3/PTFE混合物;在真空干燥箱內于80℃干燥,研磨得到Al2O3/PTFE復合物粉末。制備流程如圖2所示。

圖2 Al2O3/PTFE材料的制備流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation process of Al2O3/PTFE

1.4 性能表征

采用SEM對材料的微觀形貌進行觀察和表征;采用DSC-TG分析材料的熱化學性能,熱分析條件為:樣品用量10mg, Pt坩堝,坩堝不加蓋,高純氬氣(Ar),溫度范圍298～1198K,加熱速率為10、15、20K/min;采用XRD對晶體結構進行表征;采用FT-IR對材料成分進行表征。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖3為Al2O3和Al2O3/PTFE復合物的SEM圖。由圖3(a)可知,無定形Al2O3基本為球形顆粒狀,平均粒徑約為50nm。由圖3(a)～(c)可以看出,各晶型Al2O3均存在較嚴重的團聚現象。由于3種晶型的Al2O3與PTFE制備的Al2O3/PTFE復合材料在微觀形貌上無明顯差異,因此僅給出1μm PTFE為組分的復合材料的SEM結果。如圖3(d)～(f)所示,Al2O3呈球形顆粒狀,較為均勻地吸附在PTFE表面,由于納米Al2O3粒徑較小,存在一定的團聚現象。

圖3 Al2O3和Al2O3/PTFE材料的SEM圖Fig.3 SEM images of Al2O3 and Al2O3/PTFE materials

2.2 結構分析

對粒徑為50nm的α-Al2O3、1μm的PTFE及二者制備得到的Al2O3/PTFE材料進行結構分析。

由于無定形Al2O3在XRD中沒有明顯的特征衍射峰,因此通過研究中間產物的成分來進一步確認最終產物成分。采用XRD對化學沉淀法得到的中間產物和300℃焙燒后的產物進行表征,結果如圖4所示。可以看出,中間產物存在明顯的Al(OH)3的特征衍射峰,沒有其他雜質;焙燒后產物沒有檢測到明顯的結晶Al2O3特征衍射峰,說明焙燒后所得產物為無定形Al2O3。

圖4 無定形Al2O3制備過程的中間產物Al(OH)3和最終產物的XRD譜圖 Fig.4 X-ray diffraction patterns of the intermediate product Al(OH)3 and the final product in the preparation of amorphous Al2O3

采用FT-IR對Al2O3、PTFE和Al2O3/PTFE材料反應前后的化學結構進行了表征分析(反應后成分取自加熱速率為20K/min條件下的DSC-TG測試),結果見圖5。

圖5 Al2O3、PTFE和Al2O3/PTFE復合材料反應前后的FT-IR圖譜Fig.5 FT-IR spectra of Al2O3, PTFE and Al2O3/PTFE composites before and after reaction

在圖5中,3415cm-1處的峰是—OH的伸縮振動吸收峰;1215cm-1和1155cm-1處是—CF2的伸縮振動吸收峰,為PTFE的特征吸收峰;400～1000cm-1為Al—O的一系列振動吸收峰。對比發現,Al2O3/PTFE的FT-IR曲線中同時存在Al2O3和PTFE的特征振動吸收峰,說明在制備過程中,兩種組分之間的結合是簡單的物理混合作用。對比反應前后的Al2O3/PTFE曲線,反應后PTFE的—CF2特征吸收峰完全消失,而Al2O3的Al—O特征峰仍然存在,表明反應后PTFE完全分解,而Al2O3存在一定量殘留。由于Al—F的振動吸收峰與Al—O的吸收峰非常接近,因此無法通過紅外結果證明反應后生成了AlF3。

進一步采用XRD對Al2O3、PTFE和Al2O3/PTFE材料反應前后的成分進行表征,結果見圖6。

圖6 α-Al2O3、PTFE和α-Al2O3/PTFE反應前后的XRD譜圖Fig.6 X-ray diffraction patterns of α-Al2O3, PTFE and α-Al2O3/PTFE composites before and after reaction

從圖6可以看出,通過XRD檢測出的物質主要有Al2O3、PTFE和AlF3。2θ在18.1°有明顯的衍射峰,對應于PTFE,完全符合PTFE的標準卡片PDF#54-1595;2θ在25.5°、35.1°、37.8°、43.4°、52.6°、57.5°、66.5°、68.2°有較強的衍射峰,對應于α-Al2O3,符合標準卡片PDF#74-1081;2θ在31.4°、32.8°、36.7°、38.9°、44.8°、47.6°、64.0°、67.4°有較強的衍射峰,對應于θ-Al2O3,符合標準卡片PDF#35-1021;2θ在25.3°、42.6°、51.9°、58.1°有較強的衍射峰,對應于α-AlF3,符合標準卡片PDF#44-0231。

從XRD結果可以看出,Al2O3存在α和θ兩種晶型,由于在實驗過程中并未對Al2O3進行二次處理,因此θ-Al2O3應是制備材料不純而含有的。Al2O3與PTFE混合時沒有發生化學反應生成新的物質,兩者之間的結合是物理作用。從Al2O3/PTFE的反應產物中檢測出了AlF3的特征衍射峰 ,表明Al2O3和PTFE在高溫下發生了化學反應。

2.3 反應物粒徑對Al2O3/PTFE熱化學反應性能的影響

圖7為粒徑1μm的PTFE在升溫速率20K/min條件下的熱分析結果。可以看出,PTFE在315.2℃左右轉變為熔融態,產生一個小的熔融吸熱峰;隨著溫度逐漸上升,PTFE由熔融態開始發生分解,并在576.9℃時產生一個較大的分解吸熱峰,分解過程持續到約600℃結束,此時TG曲線顯示的質量分數降為0 ,表明PTFE在600℃時已經完全分解,以氣體形式逸散。

圖7 升溫速率20K/min下PTFE的TG-DSC曲線Fig.7 TG-DSC curves of PTFE at a heating rate of 20K/min

2.3.1 Al2O3粒徑對Al2O3/PTFE熱化學反應性能的影響

圖8是以不同粒徑的α-Al2O3和粒徑為1μm的PTFE為原料制備的Al2O3/PTFE材料在升溫速率20K/min條件下的熱分析結果。

圖8 不同粒徑α-Al2O3/PTFE(1μm)的TG-DSC曲線Fig.8 TG-DSC curves of different particle sizes of α-Al2O3/PTFE (1μm)

由DSC曲線可以看出,各種復合材料中PTFE的熔化吸熱溫度均發生在327℃左右,相較圖7中吸熱峰的溫度延遲了約10℃。圖8(a)和(b)顯示的α-Al2O3(30nm)/PTFE和α-Al2O3(50nm)/PTFE的DSC曲線中各出現了3個放熱峰,峰1的峰值溫度隨Al2O3粒徑增大而降低,當Al2O3粒徑大于50nm后,該放熱峰消失。峰2的峰值溫度隨Al2O3粒徑增大先升高后降低,粒徑為80nm時復合材料的峰值溫度(553.7℃)最大。峰3的峰值溫度隨著Al2O3粒徑的增大逐漸增大,且與峰2的溫度差增大。通過對圖8的放熱峰曲線進行積分,得到α-Al2O3/PTFE材料的峰2、峰3的單位總放熱量分別為572.6、552.0、538.8和433.7J/g。隨α-Al2O3粒徑增大,峰2和峰3的總放熱量逐漸減小,當α-Al2O3粒徑大于50nm后,放熱量降低程度明顯。上述峰值溫度的變化趨勢與Osborne等[12]對不同粒徑的Al2O3和200nm PTFE的熱分析結果相似。由于文獻中的PTFE粒徑(200nm)小于本研究所用粒徑(1μm),反應溫度存在一定差異。Pantoya等[21]認為,放熱峰1和2是由生成AlF3的放熱反應導致的,主放熱峰則是由AlF3的晶型轉變(β-AlF3轉變為α-AlF3)引起的。基于上述文獻結果,由于Al2O3粒徑的減小降低了晶型轉變的開始溫度,并減小了放熱峰2和3之間的峰值溫度差,因此當Al2O3粒徑為30nm時,放熱峰2和3接近融合,在500～600℃只顯示出一個放熱量較大的放熱峰。同時,由于峰2和峰3的峰值溫度十分接近,因此峰3可能是由兩種放熱方式同時引起的,即AlF3的生成反應和其晶型轉變。

在TG曲線中,質量損失的趨勢在570～585℃基本結束,與DSC曲線中的主放熱峰的峰值溫度相符。由于PTFE在Al2O3/PTFE材料中質量分數為66%,若兩者未發生反應,PTFE將完全分解,以氣體形式逸散出體系(圖7),材料的質量損失將在66%左右,而圖8的TG結果顯示質量損失均小于66%,因此,部分PTFE存在于材料體系中,參與了放熱反應。在4種粒徑體系中,α-Al2O3(50nm)/PTFE的質量損失最少 ,反應程度最高,其他幾組Al2O3質量損失都在60%以上,反應程度較低。Al2O3粒徑的增大,一方面使Al2O3與PTFE之間的粒徑差減小,顆粒間接觸面積增大,有利于Al2O3催化PTFE分解;另一方面導致Al2O3反應活性(比表面積)降低,這不利于Al2O3與PTFE分解產生的氟碳碎片相互接觸并發生反應,兩者綜合影響使得粒徑為50nm的Al2O3與1μm的PTFE反應程度最高。

綜合上述結果,Al2O3粒徑越小,其越容易與PTFE發生放熱反應,AlF3生成反應的起始溫度和晶型轉變溫度越接近,最終反應放熱越集中,放熱量越大。

2.3.2 PTFE粒徑對Al2O3/PTFE熱化學反應性能的影響

α-Al2O3(50nm)/PTFE(5μm、1μm)在升溫速率為20K/min下的熱分析結果見圖9。不同于α-Al2O3/PTFE(1μm),α-Al2O3/PTFE(5μm)的DSC曲線中存在兩個明顯的放熱峰(峰2和3),峰值溫度均向高溫區移動,且放熱峰之間的溫度差明顯增大。隨著PTFE粒徑的增大,主反應峰(峰3)的放熱量降低。結合2.3.1節的分析,PTFE粒徑的減小導致AlF3生成反應和晶型轉變的起始溫度提前,并使兩個反應峰的峰值溫度差減小,增大了反應的集中放熱量。

圖9 α-Al2O3(50nm)/PTFE(5μm、1μm)的熱分析曲線Fig.9 Thermal analysis curves of α-Al2O3 (50nm)/PTFE (5μm,1μm)

在TG曲線中,α-Al2O3/PTFE(5μm)的質量損失為59.7%,反應程度低于α-Al2O3/PTFE(1μm)。隨PTFE粒徑增大,PTFE與Al2O3的粒徑差增大,顆粒之間的接觸面積減小,導致反應程度下降。

圖9中峰2結束時,TG曲線已經趨于平穩,此時PTFE分解結束,峰2為生成AlF3的放熱反應;峰3發生時PTFE已不存在于體系中,此時的放熱峰是由AlF3的晶型轉變導致的,符合Pantoya等[21]的研究結果。

綜上所述,PTFE粒徑增大會導致反應程度降低,同時延緩了AlF3的晶型轉變,導致最終放熱不集中,并且放熱量較少。

2.4 Al2O3晶型對Al2O3/PTFE熱化學反應特性的影響

以不同晶型Al2O3和粒徑為1μm的PTFE為原料制備Al2O3/PTFE材料,并進行了熱化學反應分析,結果見圖10,并將α-Al2O3(50nm)/PTFE(1μm)的DSC曲線合并在圖中進行對比。

圖10 不同晶型Al2O3/PTFE(1μm)的熱分析曲線Fig.10 Thermal analysis curves of different crystalline phases of Al2O3/PTFE (1μm)

不同晶型Al2O3/PTFE的DSC曲線中均存在兩個明顯的放熱峰(峰1和峰3),而α-Al2O3還存在一個放熱峰2,由于α-Al2O3的峰2和峰3的峰值溫度僅相差32.5℃,認為兩處放熱峰發生的是同樣的放熱反應。不同晶型Al2O3/PTFE的放熱峰1和3之間的峰值溫度差不同,其中無定形Al2O3/PTFE的溫度差最小,α-Al2O3/PTFE的溫度差最大。通過對放熱峰曲線進行積分,得到了α-Al2O3/PTFE、γ-Al2O3/PTFE和無定形Al2O3/PTFE的峰1的單位放熱量分別為3.24、17.45和32.28J/g,峰2、3的單位總放熱量(若曲線中無峰2,則總放熱量在數值上等同于峰3放熱量)分別為552.0、294.8和140.58J/g,無定形Al2O3/PTFE在峰1處具有最大的放熱量,而α-Al2O3/PTFE在峰3處具有最大的總放熱量。根據2.3.1節內容,峰1發生的是AlF3的生成反應,無定形Al2O3/PTFE在此處具有較高的放熱量,表明有較多的無定形Al2O3在該溫度下與PTFE發生放熱反應,反應程度較高;而峰3發生的是AlF3的生成和晶型轉變,無定形Al2O3/PTFE的峰3放熱量低,表明在該階段AlF3的生成量較少且晶型轉變受到了一定的阻礙,使得參與晶型轉變的AlF3含量較少。結合2.3.1節結果,由于α-Al2O3的粒徑(50nm)大于γ-Al2O3(10nm),而與無定形Al2O3粒徑(50nm)相同,但在峰3處單位總放熱量大于后兩者,同時峰1和峰2的峰值溫度均較低,因此α-Al2O3更易與PTFE發生放熱反應,并能集中放出更多熱量。結合圖3無定形Al2O3的微觀形貌圖,考慮可能是由于無定形Al2O3顆粒的團聚較嚴重,使得反應生成的AlF3也存在團聚情況,導致最終只有包裹在外部的少量AlF3發生了晶型轉變。

在TG曲線中,α-Al2O3/PTFE的質量損失相對較少,說明α-Al2O3與PTFE的反應程度相對較高。

考慮到無定形Al2O3在升溫過程中可能存在晶型轉變,因此在相同條件下對無定形Al2O3進行了熱分析,結果如圖11所示。TG曲線中,升溫過程的質量損失是由Al2O3表面吸附的水分蒸發導致的。DSC曲線顯示,無定形Al2O3只在723.3℃存在一個弱放熱峰,根據Al2O3的相變溫度[23]分析,該放熱峰是由γ-Al2O3轉變成δ-Al2O3導致的,由于放熱量很小,因此Al2O3的晶型轉變并不會影響Al2O3與PTFE的反應放熱量。

圖11 無定形Al2O3的TG-DSC曲線Fig.11 TG-DSC curves of the amorphous Al2O3

綜合上述結果,在3種晶型Al2O3中,與PTFE的反應程度從高到低依次為α-Al2O3、無定形Al2O3和γ-Al2O3,放熱反應的總放熱量從高到低依次為α-Al2O3、γ-Al2O3和無定形Al2O3。無定形Al2O3由于顆粒間的團聚使得最終參與晶型轉變的AlF3相對較少,從而導致最終放熱量較低。

2.5 升溫速率對Al2O3/PTFE熱化學反應特性的影響

2.5.1 升溫速率的影響

圖12給出了在不同升溫速率下α-Al2O3(30nm)/PTFE(1μm)的熱化學反應結果,并將升溫速率為20K/min對應的DSC曲線合并在圖中進行對比。

圖12 不同升溫速率下α-Al2O3(30nm)/PTFE(1μm)的熱分析曲線Fig.12 Thermal analysis curves of α-Al2O3 (30nm)/PTFE (1μm) at different heating rates

在DSC曲線中,隨著升溫速率改變,PTFE的熔化吸熱峰值溫度沒有明顯變化。當升溫速率為10K/min時,在541.1℃出現一個明顯的放熱峰,升溫速率為15K/min時,該放熱峰的峰值溫度升高至567.4℃,并穩定在該溫度附近。當升溫速率為15K/min和20K/min時,在400～420℃區間出現了一個小的放熱峰,且該放熱峰的峰值溫度隨著升溫速率升高而降低。隨升溫速率增大,峰2放熱量逐漸增大。峰1是由AlF3的生成反應導致的,升溫速率的增加導致該反應開始的溫度降低;峰2是由AlF3的生成反應和AlF3的晶型轉變共同引起的,升溫速率的增大對該放熱峰的起始溫度影響較小,但放熱量增大。

在TG曲線中,升溫速率為10、15和20K/min的Al2O3/PTFE材料質量損失分別為-55.8%、-60.1%和-61.1%,3種體系質量損失量隨升溫速率的加快而增加,符合理論規律。其中升溫速率為10K/min的Al2O3/PTFE材料質量損失最少,理論上反應程度最高。

通過對放熱峰曲線進行積分,得到升溫速率為10、15、20K/min條件下Al2O3/PTFE材料的主反應放熱峰(峰2)的單位放熱量分別為170.0、251.2和572.6J/g。

2.5.2 Al2O3/PTFE主反應活化能

固態熱化學反應動力學一般遵循如下公式:

(1)

式中:α為轉化率;T為熱力學溫度;A為指前因子;β為升溫速率(dT/dt);f(α)為反應機理函數;Ea為反應活化能;R為通用氣體常數,8.314J/(mol·K)-1。

反應活化能Ea通常可由Ozawa法[24]、Flynn法[25]和Starink法[26]計算得到。由于Starink法可以在不考慮f(α)的情況下計算活化能,比其他兩種方法準確率更高,本研究采用Starink法計算反應的活化能。

Starink法的計算公式為:

(2)

根據Starink法計算得到Al2O3/PTFE復合體系主反應活化能Ea約為45.0kJ/mol。Hobosyan等[18]計算得到Al2O3/PTFE在升溫速率大于150K/min條件下的反應活化能為21kJ/mol。本研究結果與文獻存在較大差異的原因可能為:(1)Hobosyan等[18]實驗中使用的Al2O3粒徑為150μm,遠大于本研究采用的粒徑(30nm);(2)Al2O3/PTFE反應的放熱峰主要由Al2O3與PTFE反應生成AlF3和AlF3的晶型轉變兩部分組成,而在快速加熱條件下,晶型轉變在動力學上十分緩慢,因此,Hobosyan等[18]在高升溫速率下計算得到的更可能是AlF3生成反應的活化能,從而低于本研究結果。

3 結 論

(1)Al2O3會延遲PTFE熔化的起始溫度,不同粒徑和晶型的Al2O3對溫度延遲的影響程度相近。

(2)Al2O3/PTFE的熱化學反應主要包括AlF3的生成反應和AlF3的晶型轉變。Al2O3和PTFE的粒徑越小,二者越容易發生放熱反應,使得AlF3生成反應和晶型轉變的溫度越接近,最終反應放熱越集中,放熱量越大。Al2O3與PTFE之間的粒徑差減小,反應程度增大。綜合兩者影響,本研究中50nm的Al2O3和1μm的PTFE熱化學反應性能最佳。

(3)在3種晶型的Al2O3中,與PTFE的反應程度從高到低依次為無定形Al2O3、α-Al2O3和γ-Al2O3,放熱量從高到低依次為α-Al2O3、γ-Al2O3和無定形Al2O3。

(4)Al2O3/PTFE的熱化學反應具有典型動力學特征,隨升溫速率增大,反應主放熱峰的峰值溫度不斷升高,反應程度則隨升溫速率增大而降低。升溫速率的提高會阻礙AlF3生成反應的進行,導致材料的反應程度降低,但同時一定程度上可以促進AlF3的晶型轉變,使得最終的反應放熱量增大。計算得到主反應活化能為45.0kJ/mol。