Cheminio perdirbimo įmonė įrengė PTFE panardinamąjį šildytuvą 30% azoto rūgšties vonioje 92 laipsnių temperatūroje. Šildytuvas buvo įvertintas pagal temperatūrą ir chemiją. Jis nepavyko po keturių mėnesių-ne tik dėl prasiskverbimo, o dėl prasiskverbimo ir oksidacijos derinio, kuris suardo polimerą greičiau nei bet kuris kitas mechanizmas atskirai. Apvalkalas parodė smulkių įtrūkimų modelį ir ryškų pageltimą, būdingą oksidaciniam poveikiui.
Oksiduojančios rūgštys-azoto rūgštis, chromo rūgštis, didelės koncentracijos sieros rūgštis ir mišiniai, kurių sudėtyje yra peroksidų ar persulfatų-, yra specifinis iššūkis PTFE panardinamiesiems šildytuvams. Polimeras atsparus oksidacijai esant vidutinei temperatūrai. Virš 90 laipsnių oksidacijos ir terminio įtempio derinys viršija polimero atsparumą.
PTFE oksidacijos mechanizmas
PTFE yra atsparus oksidacijai, nes anglies{0}}fluoro ryšiai yra stiprūs, o fluoro atomai apsaugo anglies pagrindą. Tačiau esant aukštesnei temperatūrai, deguonis arba oksiduojančios medžiagos gali paveikti polimerą silpnose grandinės galuose, likutinėse priemaišose ir gamybos metu atsiradusiuose struktūriniuose defektuose.
Ataka sukuria karbonilfluoridą ir kitas oksiduotas rūšis, kurios suardo polimero grandinę. Rezultatas yra grandinės nutrūkimas, dėl kurio sumažėja molekulinė masė ir mechaninis stiprumas. Paviršius tampa trapus ir atsiranda smulkių įtrūkimų. Įtrūkimai suteikia kelius tolesniam prasiskverbimui ir atakai.
Oksidacijos greitis priklauso nuo temperatūros, oksiduojančių medžiagų koncentracijos ir katalizatorių, tokių kaip metalo jonai, buvimo. Geležis, varis ir kiti pereinamieji metalai gali katalizuoti PTFE oksidaciją, pagreitindami skaidymą.
| Oksiduojanti rūgštis | Koncentracija | Temperatūra | Oksidacijos greitis | PTFE tarnavimo laikas |
|---|---|---|---|---|
| Azoto rūgštis | 20% | 70 laipsnių | Žemas | 3-5 metai |
| Azoto rūgštis | 30% | 90 laipsnių | Vidutinis | 6-14 mėnesių |
| Azoto rūgštis | 30% | 95 laipsnių | Aukštas | 3-8 mėn |
| Azoto rūgštis | 50% | 90 laipsnių | Labai aukštas | 2-6 mėn |
| Chromo rūgštis | 20% | 90 laipsnių | Aukštas | 4-10 mėnesių |
| Sieros rūgštis | 70% | 95 laipsnių | Vidutinis – didelis | 6-14 mėnesių |
| kurių sudėtyje yra peroksido{0}} | 5% | 80 laipsnių | Aukštas | 4-10 mėnesių |
Oksidacijos greitis ir PTFE eksploatavimo laikas, kai oksiduojasi rūgštis viršija 90 laipsnių
Kombinuotas oksidacijos ir prasiskverbimo poveikis
Oksidacija ir prasiskverbimas nėra nepriklausomi. Oksidacija sukuria paviršiaus įtrūkimus ir padidina polimero pralaidumą. Prasiskverbimas įneša drėgmę ir chemiją giliau į polimerą, kur jie gali reaguoti su oksiduotomis vietomis. Abu mechanizmai sustiprina vienas kitą.
Šildytuvas oksiduojančioje rūgštyje virš 90 laipsnių gali rodyti laipsnišką izoliacijos varžos mažėjimą per kelias savaites, o po to staigus kritimas, kai įtrūkimas prasiskverbia per visą apvalkalo storį. Staigus kritimas dažnai yra pirmasis požymis, kad kažkas negerai. Iki to laiko polimeras irsta jau kelias savaites.
Šis derinys yra žalingesnis nei bet kuris iš mechanizmų atskirai. Ne{1}}oksiduojančioje rūgštyje esantis šildytuvas toje pačioje temperatūroje gali trukti dvigubai ilgiau, nes polimeras nėra chemiškai skaidomas{2}}tik prasiskverbia.
Temperatūra: dominuojantis kintamasis
Oksidacijos greitis maždaug padvigubėja kiekvieną kartą, kai temperatūra padidėja 10 laipsnių. Šildytuvas, veikiantis 95 laipsnių kampu, yra maždaug keturis kartus jautresnis oksidacijai nei vienas 75 laipsnių temperatūroje ir aštuonis kartus jautresnis nei 65 laipsnių.
Apvalkalo temperatūra yra dar svarbesnė nei masės temperatūra. Šildytuvas, veikiantis 92 laipsnių tūrio laipsniu ir 110 laipsnių apvalkalo temperatūra, veikia polimerą su 2–4 kartus didesniu oksidacijos greičiu, nei rodo masės temperatūra. Vatų tankio sumažinimas, siekiant sumažinti apvalkalo temperatūrą, yra efektyviausias būdas prailginti tarnavimo laiką.
Praktinės gairės oksiduojančioms rūgštims, viršijančioms 90 laipsnių
Jei azoto rūgštis yra mažesnė nei 20 %, o temperatūra žemesnė nei 70 laipsnių, PTFE panardinamasis šildytuvas veikia gerai ir užtikrina priimtiną tarnavimo laiką. Virš 30% koncentracijos arba 90 laipsnių, tarnavimo laikas yra trumpas, todėl reikėtų apsvarstyti alternatyvias medžiagas.
Chromo rūgšties koncentracija viršija 20% arba 90 laipsnių, oksidacijos greitis yra didelis, o šildytuvas gali sugesti per kelis mėnesius. Priklausomai nuo chemijos, labiau tinka silicio karbidas arba kvarcas.
Jei sieros rūgštis viršija 70% koncentraciją ir 95 laipsnius, aukštos temperatūros, didelės koncentracijos ir oksidacinių sąlygų derinys išstumia polimerą už jo praktinių ribų.
| Aptarnavimo būklė | PTFE tinkamumas | Rekomenduojamas vatų tankis | Numatomas tarnavimo laikas |
|---|---|---|---|
| 10-20% azoto rūgšties,<70°C | Puikiai | 1,2–1,5 W/cm² | 3-5 metai |
| 20–30% azoto rūgšties, 70–90 laipsnių | Ribinis | 0,8–1,0 W/cm² | 8-18 mėnesių |
| 30–50% nitric acid, >90 laipsnių | Netinka | - | <6 months |
| 10–20 % chromo rūgšties, 70–90 laipsnių | Ribinis | 0,8–1,0 W/cm² | 6-14 mėnesių |
| >20% chromic acid, >90 laipsnių | Netinka | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 laipsnių | Ribinis | 0,8–1,0 W/cm² | 6-14 mėnesių |
PTFE tinkamumo ir specifikacijos parametrai oksiduojančioms rūgštims virš 90 laipsnių
Kai PTFE pasiekia savo ribas
PTFE oksiduojančios rūgšties naudojimo ribas pasiekia, kai temperatūra viršija 90 laipsnių ir koncentracija yra didelė. Tokiomis sąlygomis oksidacijos greitis viršija polimero atsparumą, o tarnavimo laikas sumažėja iki vienerių metų.
Šiais atvejais reikėtų apsvarstyti alternatyvias medžiagas. Silicio karbidas pasižymi aukštesne temperatūra ir atsparumu oksidacijai. Kvarcas tinka azoto ir chromo rūgštims, bet ne šarminėms sąlygoms. Titanas gerai veikia azoto rūgštyje, bet ne redukuoja rūgštis.
Kai tinkinta konfigūracija padidina PTFE našumą
Pasirinktinė PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracija su labai mažu vatų tankiu, storu apvalkalu ir geresne prieiga prie srauto sumažina apvalkalo temperatūrą ir oksidacijos greitį. Tobulinimas gali pailginti tarnavimo laiką nuo mėnesių iki daugiau nei vienerių metų esant ribinėms oksiduojančioms rūgšties sąlygoms. Specifikacijos procesas reikalauja rūgšties chemijos, koncentracijos, darbinės temperatūros ir reikiamos galios. Įrenginiams su oksiduojančiomis rūgšties voniomis, kurių temperatūra viršija 90 laipsnių, šis specifinis metodas- yra sprendimas, kur standartiniai šildytuvai negali būti naudojami.
