یک کارخانه مواد شیمیایی یک بخاری غوطه وری PTFE را از حمام اسید نیتریک 30 درصد در دمای 85 درجه پس از 5 ماه خدمت بیرون کشید. سطح بخاری الگویی از ترک‌های ریز و متقاطع-الگوی متقاطع-در سراسر بخش گرم شده نشان داد. PTFE سخت و شکننده بود، آنطور که باید نرم و انعطاف پذیر نیست. مقاومت عایق از 500 MΩ به 30 MΩ کاهش یافته بود. اسید نیتریک پلیمر را اکسید کرده و سطح آن را ترد کرده و باعث ترک خوردن آن شده است.
اسید نیتریک داغ یکی از تهاجمی ترین اسیدهای اکسید کننده برای PTFE است. در دماهای متوسط، سرعت اکسیداسیون کند است و PTFE انعطاف پذیر باقی می ماند. در دماهای بالا-بالاتر از 80 درجه -نرخ اکسیداسیون تسریع می‌شود و سطح پلیمر شروع به تخریب می‌کند. زنجیره های پلیمری شکسته می شوند و سطح سخت و شکننده می شود.
چگونه اسید نیتریک PTFE را ترد می کند
اسید نیتریک PTFE را در انتهای زنجیره و در نقص ساختاری پلیمر اکسید می کند. اکسیداسیون کربونیل فلوراید و سایر گونه های اکسید شده ایجاد می کند که زنجیره پلیمر را مختل می کند. بریدگی زنجیره باعث کاهش وزن مولکولی پلیمر و استحکام مکانیکی آن می شود.
لایه سطحی اکسید شده دارای خواص متفاوتی نسبت به پلیمر حجیم است. سخت تر، شکننده تر و کمتر انعطاف پذیر است. هنگامی که بخاری چرخه حرارتی می کند، سطح شکننده نمی تواند فشار را تحمل کند. ترک می خورد.
| غلظت اسید نیتریک | دما | نرخ اکسیداسیون | زمان سخت شدن سطحی | زمان شکستن |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 درجه | خیلی کم | >36 ماه | >48 ماه |
| 20% | 70 درجه | پایین | 18-30 ماه | 24-36 ماه |
| 30% | 80 درجه | متوسط | 8-14 ماه | 12-20 ماه |
| 40% | 85 درجه | بالا | 4-8 ماه | 6-12 ماه |
| 50% | 90 درجه | خیلی بالا | 2-4 ماه | 3-8 ماه |
غلظت اسید نیتریک و اثرات دما بر شکنندگی PTFE
چرا ترک ها یک الگوی دیوانه کننده را تشکیل می دهند؟
الگوی فرورفتگی-ترک‌های متقاطع ریز-مشخصه یک لایه سطحی شکننده بر روی یک بستر انعطاف‌پذیر است. هنگامی که بخاری گرم می شود، غلاف فلزی منبسط می شود و لایه سطحی شکننده باید کشیده شود تا انبساط را در خود جای دهد. اگر لایه سطحی نتواند کشیده شود، ترک می خورد. ترک ها در یک الگوی تصادفی ایجاد می شوند زیرا لایه سطحی یکنواخت است و تنش توزیع می شود.
الگوی فرورفتگی با ترک های ناشی از خستگی حرارتی یا آسیب مکانیکی متفاوت است. ترک‌های خستگی حرارتی معمولاً در نقاط تنش متمرکز می‌شوند. ترک های آسیب مکانیکی موضعی هستند. ترک های پراکنده در سراسر سطح آسیب دیده پخش می شوند.
چرا خدمات اسید نیتریک داغ به ویژه خواستار است؟
اسید نیتریک یک اسید اکسید کننده است. پتانسیل اکسیداسیون با غلظت و دما افزایش می یابد. در غلظت 85 درجه و 30 درصد، نرخ اکسیداسیون به اندازه ای بالا است که سطح PTFE در عرض چند ماه ترد شود.
اسید نیتریک همچنین در PTFE نفوذ می کند. نرخ نفوذ با دما افزایش می یابد. اسیدی که به عایق داخلی می رسد مقاومت عایق را کاهش می دهد. ترکیبی از شکنندگی سطح و نفوذ داخلی باعث می شود که بخاری سریعتر از هر مکانیزم به تنهایی از کار بیفتد.
جلوگیری از شکنندگی سطح در اسید نیتریک داغ
موثرترین پیشگیری کاهش دمای سطح است. چگالی وات کمتر{3}}0.8-1.0 وات بر سانتی متر مربع - دمای سطح را در محدوده ای نگه می دارد که نرخ اکسیداسیون پایین است. بخاری 0.9 W/cm² ممکن است 10 تا 15 درجه خنک‌تر از بخاری 1.4 W/cm² کار کند که می‌تواند زمان سخت شدن سطح را دو برابر کند.
یک پوشش PTFE ضخیم تر، مواد بیشتری را برای جذب اکسیداسیون فراهم می کند. لایه سطحی اکسید شده قربانی می شود. یک پوشش ضخیم‌تر، پلیمر بیشتری در زیر لایه اکسید شده دارد، بنابراین بخاری خواص بازدارندگی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند.
فاصله زمانی خدمات کوتاه تر برای بازرسی و جایگزینی یک رویکرد عملی است. در سرویس اسید نیتریک داغ، بخاری باید هر 2 تا 3 ماه یکبار بررسی شود. در صورت تشخیص سخت شدن سطح، قبل از نفوذ ترک ها به پوشش، هیتر باید تعویض شود.
| اقدام پیشگیری | تاثیر بر شکنندگی | پیاده سازی |
|---|---|---|
| چگالی وات کمتر، 0.8-1.0 W/cm² | اکسیداسیون کندتر | طراحی بخاری |
| پوشش ضخیم تر، 2.5-3.0 میلی متر | مواد قربانی بیشتر | فرآیند پوشش |
| فاصله بازرسی کوتاهتر | تشخیص زودهنگام | برنامه تعمیر و نگهداری |
| کاهش دما | نرخ اکسیداسیون پایین تر | کنترل فرآیند |
اقدامات پیشگیری از شکنندگی سطح در اسید نیتریک داغ
هنگامی که تردی سطحی نشان دهنده یک مشکل طراحی است
بخاری که با وجود چگالی وات کم و روکش ضخیم، شکننده و ترک می‌خورد، نشان می‌دهد که مواد یا طرح بخاری برای سرویس اسید نیتریک داغ مناسب نیست. یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با چگالی وات بسیار کم، پوشش ضخیم و درجه پلیمری مقاوم در برابر دما، علت اصلی شکنندگی را برطرف می‌کند. فرآیند مشخصات به غلظت اسید نیتریک، دمای عملیاتی و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای تأسیسات دارای حمام اسید نیتریک داغ، این برنامه کاربردی{4}}رویکرد خاص شکنندگی سطح را کاهش می‌دهد و عمر مفید بخاری را افزایش می‌دهد.
