یک کارخانه فرآوری شیمیایی یک بخاری غوطه وری PTFE را در حمام اسید نیتریک 30 درصد در دمای 92 درجه نصب کرد. بخاری از نظر دما و شیمی درجه بندی شد. بعد از چهار ماه{4}}نه از نفوذ به تنهایی، بلکه به دلیل ترکیبی از نفوذ و اکسیداسیون که پلیمر را سریع‌تر از هر مکانیزم به تنهایی تخریب می‌کرد، شکست خورد. غلاف الگویی از ترک های ریز و زردی مشخصی را نشان داد که مشخصه حمله اکسیداتیو است.
اسیدهای اکسید کننده-اسید نیتریک، اسید کرومیک، اسید سولفوریک در غلظت بالا و مخلوط‌های حاوی پراکسید یا پرسولفات-یک چالش خاص برای بخاری‌های غوطه‌وری PTFE هستند. پلیمر در برابر اکسیداسیون در دماهای متوسط مقاومت می کند. در دمای بالای 90 درجه، ترکیب اکسیداسیون و تنش حرارتی از توانایی پلیمر برای مقاومت فراتر می رود.
مکانیسم اکسیداسیون در PTFE
PTFE در برابر اکسیداسیون مقاوم است زیرا پیوندهای کربن-فلوئور قوی هستند و اتم های فلوئور از ستون فقرات کربن محافظت می کنند. با این حال، در دماهای بالا، اکسیژن یا گونه های اکسید کننده می توانند به پلیمر در نقاط ضعیف- انتهای زنجیره، ناخالصی های باقیمانده و عیوب ساختاری وارد شده در حین ساخت حمله کنند.
این حمله باعث ایجاد کربونیل فلوراید و سایر گونه های اکسید شده می شود که زنجیره پلیمر را مختل می کند. نتیجه بریدگی زنجیره ای است که وزن مولکولی و استحکام مکانیکی را کاهش می دهد. سطح شکننده می شود و ترک های ریز ایجاد می کند. ترک ها مسیرهایی را برای نفوذ و حمله بیشتر فراهم می کنند.
سرعت اکسیداسیون به دما، غلظت گونه های اکسید کننده و حضور کاتالیزورهایی مانند یون های فلزی بستگی دارد. آهن، مس و سایر فلزات واسطه می توانند اکسیداسیون PTFE را کاتالیز کنند و تخریب را تسریع کنند.
| اسید اکسید کننده | تمرکز | دما | نرخ اکسیداسیون | عمر سرویس PTFE |
|---|---|---|---|---|
| اسید نیتریک | 20% | 70 درجه | پایین | 3-5 سال |
| اسید نیتریک | 30% | 90 درجه | متوسط | 6-14 ماه |
| اسید نیتریک | 30% | 95 درجه | بالا | 3-8 ماه |
| اسید نیتریک | 50% | 90 درجه | خیلی بالا | 2-6 ماه |
| اسید کرومیک | 20% | 90 درجه | بالا | 4-10 ماه |
| اسید سولفوریک | 70% | 95 درجه | متوسط – زیاد | 6-14 ماه |
| حاوی پراکسید- | 5% | 80 درجه | بالا | 4-10 ماه |
نرخ اکسیداسیون و عمر مفید PTFE در سرویس اسید اکسید کننده بالای 90 درجه
اثر ترکیبی اکسیداسیون و نفوذ
اکسیداسیون و نفوذ مستقل نیستند. اکسیداسیون باعث ایجاد ترک های سطحی و افزایش نفوذپذیری پلیمر می شود. نفوذ رطوبت و شیمی را عمیق‌تر به پلیمر می‌آورد، جایی که آنها می‌توانند با مکان‌های اکسید شده واکنش دهند. این دو مکانیسم یکدیگر را تقویت می کنند.
بخاری در اسید اکسید کننده بالاتر از 90 درجه ممکن است کاهش تدریجی مقاومت عایق را در طی هفته ها نشان دهد و به دنبال آن هنگامی که یک ترک به ضخامت کامل غلاف نفوذ می کند، افت ناگهانی را نشان می دهد. افت ناگهانی اغلب اولین نشانه این است که چیزی اشتباه است. تا آن زمان، پلیمر برای هفته ها در حال تخریب بوده است.
این ترکیب از هر دو مکانیسم به تنهایی مضرتر است. بخاری در یک اسید غیر اکسید کننده در همان دما ممکن است دو برابر بیشتر دوام بیاورد زیرا پلیمر از نظر شیمیایی تجزیه نمی شود-فقط نفوذ می کند.
دما: متغیر غالب
سرعت اکسیداسیون به ازای هر 10 درجه افزایش دما تقریباً دو برابر می شود. بخاری که در دمای 95 درجه کار می کند تقریباً چهار برابر بیشتر از بخاری در دمای 75 درجه مستعد اکسیداسیون است و هشت برابر بیشتر از بخاری در دمای 65 درجه حساس تر است.
دمای غلاف حتی مهمتر از دمای توده است. یک بخاری که در حجم 92 درجه با دمای غلاف 110 درجه کار می کند، پلیمر را در معرض نرخ اکسیداسیون دو تا چهار برابر بیشتر از دمای توده ای قرار می دهد. کاهش چگالی وات برای کاهش دمای غلاف موثرترین راه برای افزایش عمر مفید است.
دستورالعمل های عملی برای اکسید کننده اسیدهای بالای 90 درجه
برای اسید نیتریک در غلظت های کمتر از 20 درصد و دماهای کمتر از 70 درجه، یک بخاری غوطه ور PTFE عملکرد خوبی دارد و عمر مفید قابل قبولی را ارائه می دهد. بیش از غلظت 30٪ یا 90 درجه، عمر مفید کوتاه است و مواد جایگزین باید در نظر گرفته شود.
برای اسید کرومیک بالاتر از غلظت 20٪ یا 90 درجه، سرعت اکسیداسیون بالا است و بخاری ممکن است در عرض چند ماه از کار بیفتد. بسته به مواد شیمیایی، کاربید سیلیکون یا کوارتز ممکن است مناسب تر باشند.
برای اسید سولفوریک بالای 70% غلظت و 95 درجه، ترکیب دمای بالا، غلظت بالا و شرایط اکسید کننده پلیمر را فراتر از حد عملی خود می برد.
| وضعیت خدمات | مناسب بودن PTFE | چگالی وات توصیه شده | عمر خدمات مورد انتظار |
|---|---|---|---|
| 10-20٪ اسید نیتریک،<70°C | عالی | 1.2-1.5 W/cm² | 3-5 سال |
| 20-30٪ اسید نیتریک، 70-90 درجه | حاشیه ای | 0.8-1.0 W/cm² | 8-18 ماه |
| 30–50% nitric acid, >90 درجه | مناسب نیست | - | <6 months |
| 10-20٪ اسید کرومیک، 70-90 درجه | حاشیه ای | 0.8-1.0 W/cm² | 6-14 ماه |
| >20% chromic acid, >90 درجه | مناسب نیست | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 درجه | حاشیه ای | 0.8-1.0 W/cm² | 6-14 ماه |
تناسب PTFE و پارامترهای مشخصات برای اسیدهای اکسید کننده بالای 90 درجه
وقتی PTFE به محدودیت های خود می رسد
PTFE زمانی که دما از 90 درجه فراتر می رود و غلظت آن زیاد است، در سرویس اسید اکسید کننده به محدودیت های خود می رسد. در آن شرایط، سرعت اکسیداسیون از توانایی پلیمر برای مقاومت فراتر می رود و عمر مفید آن به زیر یک سال می رسد.
در این کاربردها باید مواد جایگزین در نظر گرفته شود. کاربید سیلیکون قابلیت دمای بالاتر و مقاومت در برابر اکسیداسیون را ارائه می دهد. کوارتز برای اسیدهای نیتریک و کرومیک مناسب است اما برای شرایط قلیایی مناسب نیست. تیتانیوم در اسید نیتریک عملکرد خوبی دارد اما در کاهش اسیدها نه.
هنگامی که یک پیکربندی سفارشی عملکرد PTFE را افزایش می دهد
پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با چگالی وات بسیار کم، غلاف ضخیم و دسترسی جریان بهتر، دمای غلاف و سرعت اکسیداسیون را کاهش می‌دهد. این بهبود ممکن است عمر مفید را از ماه ها تا بیش از یک سال در شرایط اسیدی اکسید کننده حاشیه ای افزایش دهد. فرآیند مشخصات به شیمی اسید، غلظت، دمای عملیاتی و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای تأسیسات دارای حمام اسید اکسید کننده بالاتر از 90 درجه، این رویکرد کاربردی{4}}راه‌حلی را ارائه می‌کند که بخاری‌های استاندارد ممکن است نباشند.
