ازن یک گاز قوی و خورنده است که به طور طبیعی توسط رعد و برق و به طور عمدی توسط تجهیزات صنعتی مانند ژنراتورهای ازن تخلیه کرونا برای تصفیه آب ایجاد می شود. بسیاری از پلاستیکها و الاستومرها، مانند لاستیک طبیعی، بهسرعت مورد حمله قرار میگیرند و حتی مقدار کمی از ازن محیطی را ترک میکنند. اما یک غلاف بخاری غوطهوری PTFE، چه در یک مخزن آب ازندار نشسته باشد و چه صرفاً در نزدیکی یک سوئیچخانه بزرگ الکتریکی که ازن یک محصول جانبی است، کار میکند، با این گاز تهاجمی و نامرئی با بیتفاوتی شیمیایی کامل و مطلق مواجه میشود. این مقاله به بررسی-اثرات بلند مدت ازن بر پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) میپردازد و توضیح میدهد که چرا این ماده کاملاً مقاوم در برابرتخریب غلاف بخاری PTFE ازن.
آسیب پذیری شیمیایی اکثر پلیمرها در برابر ازن
ازن (O3) یک آلوتروپ بسیار واکنش پذیر از اکسیژن است. به عنوان یک عامل اکسید کننده قوی عمل می کند و به راحتی به مولکول های آلی حمله می کند. بسیاری از پلیمرها و الاستومرهای رایج-از جمله لاستیک طبیعی، لاستیک بوتیل، لاستیک نیتریل، و حتی برخی از پلاستیک های مهندسی-حاوی پیوندهای دوگانه کربن-کربن (C=C) در ستون فقرات مولکولی خود هستند. ازن این پیوندهای دوگانه را می شکند، فرآیندی که به نام اوزونولیز شناخته می شود. نتیجه یک ترک مشخصه و شکننده سطحی است که به آن "ترک ازن" گفته می شود. حتی در غلظتهای پایین ازن محیط (قطعات در یک میلیارد محدوده)، قطعات لاستیکی محافظتنشده میتوانند در عرض چند هفته یا چند ماه ترکهای عمیقی ایجاد کنند که منجر به خرابی مکانیکی شود.
چرا PTFE در برابر حمله ازن مصون است؟
PTFE دارای ساختار مولکولی اساسا متفاوتی است. ستون فقرات آن کاملاً از پیوندهای کربنی منفرد- (C-C) تشکیل شده است که هر اتم کربن کاملاً از اتمهای فلوئور اشباع شده است. پیوند کربن{3}}فلوئور (C-F) یکی از قوی ترین و بی اثرترین پیوندهای شیمیایی در تمام شیمی آلی است. هیچ پیوند دوگانه کربن{5}}آسیبپذیر، هیچ اتم هیدروژن متصل به ستون فقرات، و هیچ گروه عاملی قابل اکسید شدن وجود ندارد.
ازن به سادگی نمی تواند با PTFE واکنش نشان دهد. گاز هیچ مکانیزمی برای اتصال یا جدا کردن زنجیره پلیمری ندارد. در جایی که ازن یک تهدید بی صدا-لاستیکی برای ترک خوردن است، بخاری PTFE کاملاً مصون است. در جداول استاندارد مقاومت شیمیایی، PTFE برای مقاومت در برابر ازن در تمام غلظت ها و دماها تا حداکثر دمای سرویس مداوم خود (تقریباً 260 درجه) "عالی" رتبه بندی شده است. این رتبه بندی اعمال می شود چه ازن در چند قسمت در میلیارد (هوای محیط شهری) یا هزاران قسمت در میلیون در یک مولد ازن تجاری وجود داشته باشد.
قرار گرفتن در معرض طولانی مدت-: بدون تخریب مشاهده شده
مطالعات مواجهه طولانی مدت تأیید می کند که PTFE پس از سال ها تماس مداوم با ازن، هیچ تغییر قابل اندازه گیری در استحکام کششی، ازدیاد طول، سختی سطح، یا خواص دی الکتریک را نشان نمی دهد. آزمایشهای پیری تسریعشده-که در آن نمونههای PTFE در دمای بالا در معرض ازن بسیار غلیظ (100 ppm یا بالاتر) قرار میگیرند{4}}هیچ ترک خوردگی، تغییر وزن و هیچ زبری سطحی فراتر از آنچه از پیری صرفاً حرارتی انتظار میرود را نشان نمیدهند.
تنها موضوع بالقوه ای که در ادبیات فنی شناسایی شده استنفوذ ازن از طریق غلاف PTFE به هسته گرمایش فلز. ازن یک مولکول کوچک و قطبی است که می تواند با سرعت کم اما قابل اندازه گیری از طریق فلوروپلیمرها پخش شود. در غلظتهای محیطی یا نسبتاً بالا که در تصفیه آب مشاهده میشود (مثلاً 1-10 ppm ازن محلول در آب) یا نزدیک تجهیزات الکتریکی (قطعات در هر میلیارد هوابرد)، شار نفوذ ناچیز است. حتی بیش از یک دهه خدمات مداوم، مقدار ازن که به هسته فلزی می رسد برای ایجاد اکسیداسیون قابل اندازه گیری سیم مقاومت یا عایق داخلی کافی نیست. برای کاربردهای غلظت بسیار بالا (به عنوان مثال، قرار گرفتن در معرض مستقیم گاز ازن غلیظ در چند درصد)، یک غلاف PTFE ضخیمتر یا یک مانع ثانویه ممکن است در نظر گرفته شود، اما چنین مواردی نادر است.
کاربردهای عملی در جایی که مقاومت ازن اهمیت دارد
مخازن آب ازن دار
در تصفیه آب و تصفیه فاضلاب، ازن به مخازن تماس تزریق می شود تا آلاینده های آلی را ضد عفونی و تجزیه کند. بخاری های غوطه وری PTFE اغلب برای حفظ دمای آب در این مخازن استفاده می شود. بخاری ها در حالی که کاملاً در آب غوطه ور هستند کار می کنند که ممکن است حاوی ازن محلول در غلظت های 1-10 ppm باشد. مقاومت کامل PTFE تضمین می کند که غلاف بخاری هرگز تحلیل نمی رود، ترک نمی خورد یا یکپارچگی مکانیکی را از دست نمی دهد. این را نمی توان برای بسیاری از پلیمرها یا الاستومرهای دیگر که در آب بندی ها، واشرها یا پوشش های بخاری استفاده می شود، گفت.
تمیز کردن ویفر نیمه هادی
در ساخت نیمه هادی، آب دیونیزه شده ازن شده به عنوان یک جایگزین تمیز و بدون باقیمانده برای اسید سولفوریک داغ برای از بین بردن مقاومت نوری آلی و سایر آلاینده ها استفاده می شود. حمام های تمیز کننده تا 60 تا 80 درجه گرم می شوند و حاوی ازن محلول در غلظت های دقیق هستند. بخاری های روکش PTFE استاندارد در این ابزارها هستند که هم مقاومت شیمیایی در برابر آب ازن دار و هم خلوص مطلق (عدم انتشار یون فلزی) را ارائه می دهند. عدم وجود هر گونه تخریب ناشی از ازن-عملکرد گرمایش ثابت را در طول عمر چند ساله-ابزار تضمین میکند.
محیطهای الکتریکی با ولتاژ بالا
ازن به عنوان محصول جانبی تخلیه کرونا از تجهیزات الکتریکی با ولتاژ بالا، از جمله سوئیچخانهها، ترانسفورماتورها و رسوبدهندههای الکترواستاتیک تولید میشود. در چنین محیطهایی، غلظت ازن موجود در هوا را میتوان در مقایسه با سطوح پسزمینه افزایش داد، اگرچه معمولاً کمتر از 0.1 ppm باقی میماند. غلافهای بخاری PTFE که در این مکانها استفاده میشوند-بهعنوان مثال، برای گرم کردن محفظههای ابزار یا پردازش لولهها-هیچ اثر نامطلوبی از ردیابی ازن را تجربه نمیکنند.
مقایسه با سایر فلوروپلیمرها و مواد جایگزین
PTFE تنها فلوروپلیمر مقاوم در برابر ازن نیست. PFA (پرفلوئوروآلکوکسی)، FEP (اتیلن پروپیلن فلوئوردار)، و ETFE (اتیلن تترا فلوئورواتیلن) نیز به دلیل محتوای فلوئور بالا، مقاومت بسیار خوبی در برابر ازن نشان میدهند. با این حال، PTFE رایج ترین و مقرون به صرفه ترین انتخاب برای غلاف بخاری در سرویس ازن باقی می ماند. در مقابل، موادی مانند پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی پروپیلن (PP) و حتی پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) مقاومت طولانی مدت ازن دارند و ممکن است در طول زمان تخریب یا شکنندگی سطح را نشان دهند.
نتیجه گیری: ایمنی کامل در برابر حمله ازن
مقاومت شیمیایی افسانهای PTFE تا مصونیت کامل در برابر حمله ازن گسترش مییابد، خاصیتی که آن را به انتخاب مواد ایمن و پیشفرض برای هر محیط صنعتی غنی{0} یا تصفیه آب ازن تبدیل میکند. ستون فقرات کربن-کاملاً اشباع شده فلوئور حاوی هیچ پیوند دوگانه آسیبپذیری نیست، و ازن هیچ مکانی برای واکنش باقی نمیگذارد. قرار گرفتن در معرض درازمدت بدون ترک خوردگی، از دست دادن خواص مکانیکی، و بدون تخریب قابل اندازه گیری غلاف بخاری ایجاد نمی کند. تنها احتیاط-نفوذ ازن از طریق پلیمر-برای همه غلظتهای عملی که در تصفیه آب و تنظیمات صنعتی وجود دارد ناچیز است.
مادهای که تقریباً با همه چیز واکنش نشان نمیدهد، یکی از تهاجمیترین اکسیدکنندههای موجود در هوا را نیز کنار میزند. برای مهندسان فرآیندی که بخاریها را برای حمامهای آب ازندار، ابزارهای تمیزکننده نیمهرسانا، یا محیطهای{1} ولتاژ بالا تعیین میکنند، PTFE ترکیبی بینظیر از پایداری حرارتی، بیاثری شیمیایی و مقاومت ویژه در برابر ازن را ارائه میکند. غلاف بخاری PTFE که در سرویس ازن نصب شده است، دوام بیشتری از بقیه تجهیزات خواهد داشت و گاز هیچ علامتی روی سطح صاف، سفید و غیر قابل نفوذ آن باقی نمی گذارد.
