یک بخاری غوطه وری فلوروپلیمری سال ها در محلول خورنده بدون حادثه کار می کند. تقاضای تولید افزایش می یابد و دمای فرآیند برای تسریع سرعت واکنش افزایش می یابد. ظرف چند ماه، غلاف بخاری گچی، شکننده و در معرض خطر الکتریکی قرار میگیرد. ترکیب شیمیایی حمام بدون تغییر است. فقط دما افزایش یافته است. تا زمانی که مقاومت وابسته به دما در نظر گرفته نشود، خرابی مرموز به نظر می رسد.
برای مواد PTFE، سازگاری شیمیایی را نمی توان از شرایط حرارتی جدا کرد. یک ماده شیمیایی که در 50 درجه بی ضرر است ممکن است در 150 درجه واکنش نشان دهد، حتی اگر غلظت و زمان قرار گرفتن در معرض ثابت بماند.
چرا دما رفتار شیمیایی را تغییر می دهد؟
واکنش های شیمیایی برای وقوع نیاز به انرژی دارند. دما آن انرژی را با افزایش حرکت مولکولی و فرکانس برخورد فراهم می کند. این رابطه معمولاً با رابطه آرنیوس توصیف میشود، که نشان میدهد نرخ واکنش به طور تصاعدی با دما به جای خطی افزایش مییابد.
یک تقریب مهندسی مفید بیان می کند که بسیاری از سرعت های واکنش شیمیایی به ازای هر 10 درجه افزایش دما تقریباً دو برابر می شود. بیش از 100 درجه افزایش، سرعت واکنش می تواند بیش از یک هزار افزایش یابد. فرآیندی که برای تولید تخریب قابل اندازهگیری PTFE در دمای متوسط به دههها نیاز دارد، میتواند در عرض چند هفته در گرمای بالا آسیب قابل مشاهده ایجاد کند.
خود بخاری اثر را تشدید می کند. سطح غلاف همیشه گرمتر از مایع حجیم است. حتی زمانی که یک مخزن در دمای 150 درجه کار می کند، دمای غلاف موضعی ممکن است به حد مواد نزدیک شود. بنابراین حمله شیمیایی دقیقاً در جایی متمرکز می شود که ماده بیشترین فشار را دارد.
پایداری PTFE در دماهای متوسط
در دماهای متوسط، PTFE تقریباً در برابر تمام مواد شیمیایی صنعتی مقاومت می کند زیرا پیوند کربن-فلورین از ستون فقرات پلیمر محافظت می کند. اسیدها، بازها و حلال ها نمی توانند به راحتی این پیوند را زمانی که انرژی حرارتی کم است بشکنند. در نتیجه، بسیاری از جداول سازگاری، PTFE را تحت شرایط پردازش معمولی به عنوان مقاوم جهانی فهرست میکنند.
این مقاومت اغلب منجر به این فرض اشتباه می شود که دما فقط بر خواص مکانیکی تأثیر می گذارد، نه شیمی. در حقیقت، با افزایش انرژی حرارتی، مقاومت شیمیایی به تدریج کاهش مییابد، حتی اگر ماده در ابتدا از نظر فیزیکی دست نخورده باقی بماند.
وقتی گرما حمله شیمیایی را فعال می کند
دمای بالا معمولا باعث انحلال سریع PTFE نمی شود. در عوض، واکنشهای تخریب اکسیداتیو آهسته را تسریع میکند که در غیر این صورت ناچیز هستند.
اسید سولفوریک غلیظ این اثر را به وضوح نشان می دهد. در دمای اتاق، PTFE اساساً هیچ واکنشی نشان نمی دهد و می تواند بی اثر در نظر گرفته شود. با این حال، نزدیک به 200 درجه، اکسیداسیون از سطح پلیمر شروع می شود. واکنش به آرامی اما به طور مداوم ادامه می یابد و در نهایت باعث سفید شدن سطح، شکنندگی و ترک می شود. این ماده مدت ها قبل از ذوب شدن یا فروپاشی مکانیکی از بین می رود.
رفتار مشابه با اسید نیتریک، اسید کرومیک و اکسید کننده های هالوژنه خاص ظاهر می شود. ماده شیمیایی یکسان باقی می ماند. فقط سینتیک واکنش تغییر می کند. بخاریای که سالها در دمای پایینتر دوام میآورد، اکنون در هر ساعت کار آسیب تجمعی را تجربه میکند.
خواندن صحیح داده های سازگاری
نمودارهای سازگاری به ندرت یک درجه بندی دمای جهانی را ارائه می دهند. در عوض، همان ماده شیمیایی اغلب طبقه بندی های متعددی را در محدوده های دما نشان می دهد. ورودی هایی مانند "رضایت بخش تا 100 درجه" و به دنبال آن "داده های محدود بالای 120 درجه" شکاف اطلاعاتی نیستند بلکه هشدار هستند. آنها نشان می دهند که سرعت واکنش به اندازه ای تسریع می شود که عملکرد بلندمدت را نمی توان پیش بینی کرد.
درجه حرارت حداکثر نیز بر اساس شدت شیمیایی متفاوت است. محدودیت مواد عمومی ممکن است بالاتر از 200 درجه باشد، اما محدودیت های عملیاتی توصیه شده برای اکسید کننده های قوی ممکن است بسیار کمتر باشد. این تفاوت ها منعکس کننده سینتیک شیمیایی به جای مقاومت مکانیکی است.
نادیده گرفتن این تمایزات اغلب منجر به شکست زودرس پس از افزایش دمای فرآیند می شود.
رهنمودهای عملی میزان گذاری
عملکرد قابل اطمینان نیاز به یک حاشیه حرارتی بین شرایط عملیاتی و آستانه پایداری مواد دارد. برای محیط های اکسید کننده تهاجمی، حفظ حاشیه 20 تا 30 درجه زیر حد توصیه شده شیمیایی خطر تخریب را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.
زمانی که چگالی وات زیاد باشد، کاهش اهمیت ویژه ای پیدا می کند. دمای سطح بالاتر سرعت واکنش موضعی را افزایش می دهد حتی اگر دمای مایع حجیم در محدوده قابل قبول باقی بماند. بنابراین، طرحهای با چگالی وات کمتر، هم کنترل حرارتی و هم دوام شیمیایی را بهبود میبخشند.
تأیید در دمای عملیاتی واقعی به همان اندازه حیاتی است. آزمایش غوطهوری آزمایشگاهی یا آزمایشهای آزمایشی، دادههای عملکرد واقعیتر از نمودارهای سازگاری دمای اتاق- ارائه میکند.
شاخصهای عملیاتی دما{0}}تخریب ناشی از آن
تخریب اولیه به ندرت باعث خرابی فوری الکتریکی می شود. در عوض، غلاف به تدریج ظاهر و بافت را تغییر می دهد. ابتدا کدر شدن سطح، گچ شدن و ترک خوردگی جزئی ظاهر می شود. با گذشت زمان، شکستگیهای میکرو{3}}به سیال اجازه نفوذ میدهند و در نهایت باعث خرابی عایق میشوند.
بازرسی دوره ای به شناسایی این علائم قبل از وقوع شکست فاجعه آمیز کمک می کند. سیستمهایی که نزدیک به محدودیتهای دما کار میکنند از بررسیهای بصری برنامهریزیشده و آزمایش مقاومت عایق در فواصل کوتاهتر نسبت به شرایط عادی سرویس بهره میبرند.
نتیجه گیری
مقاومت شیمیایی و دما را نمی توان به طور مستقل ارزیابی کرد. رابطه آرنیوس تضمین می کند که حتی مواد مقاوم در برابر شیمیایی واکنش های تسریع شده ای را با افزایش گرما تجربه می کنند. سیالی که در دمای 50 درجه خوش خیم است ممکن است به آهستگی PTFE را در دمای 150 درجه اکسید کند و به طور قابل توجهی آن را در نزدیکی حد سرویس بالا تخریب کند.
درک مقاومت وابسته به دما، تفسیر دقیق دادههای سازگاری و دستورالعملهای کاهشسنجی مناسب را ممکن میسازد. حفظ حاشیه حرارتی، تأیید عملکرد در شرایط عملیاتی، و بازرسی دورهای بخاریها از خرابیهای غیرمنتظره در فرآیندهای{2} دمای بالا جلوگیری میکند.
