Chemijos gamykla beveik ketverius metus veikė PTFE panardinamąjį šildytuvą 20 % vandenilio fluorido rūgšties vonioje 50 laipsnių temperatūroje. Šildytuvas veikė patikimai, o kai jis pagaliau buvo pakeistas, gedimas buvo mechaninis-pažeistas gnybtas dėl priežiūros klaidos-ne cheminis. Ta pati gamykla įrengė identišką šildytuvą 25% natrio hidroksido vonioje 95 laipsnių temperatūroje. Per penkis mėnesius nepavyko. Chemija pasikeitė iš vieno kraštutinumo į kitą, o PTFE negalėjo susidoroti su abiem.
PTFE dažnai apibūdinamas kaip chemiškai inertiškas visame pH diapazone. Šis aprašymas yra tikslus daugeliui sąlygų, bet sugenda kraštutiniais atvejais,{1}}ypač karštuose, koncentruotuose šarminiuose tirpaluose. Norint suprasti, kodėl PTFE atsparus HF, bet nepavyksta karštoje kaustikoje, reikia pažvelgti į polimero chemiją ir mechanizmus, kuriais įvairios cheminės rūšys jį atakuoja.
Kodėl PTFE atsparus vandenilio fluorido rūgščiai
Vandenilio fluorido rūgštis yra viena iš agresyviausių pramonėje naudojamų cheminių medžiagų. Jis atakuoja stiklą, kvarcą ir daugumą metalų. Jis prasiskverbia į odą ir pažeidžia kaulus. Tačiau PTFE su tuo susitvarko lengvai.
Priežastis – anglies{0}}fluoro ryšys. PTFE yra anglies atomų grandinė, visiškai apsupta fluoro atomų. Anglies -fluoro jungtis yra stipriausia vienguboji jungtis organinėje chemijoje, kurios jungties energija yra maždaug 485 kJ/mol. HF neturi energijos ar cheminio mechanizmo, kad nutrauktų tą ryšį.
HF taip pat netirpdo ir neišpučia PTFE. Polimerų grandinės yra sandariai supakuotos, o fluoro atomai apsaugo anglies pagrindą nuo atakų. Laikui bėgant HF molekulės gali prasiskverbti per polimerą, tačiau su juo nereaguoja. Prasiskverbimo greitis yra lėtas ir priklauso nuo temperatūros, tačiau pats polimeras lieka nepažeistas.
Kodėl karšta koncentruota šarminė medžiaga atakuoja PTFE
Natrio hidroksidas ir kitos stiprios bazės atakuoja PTFE skirtingais mechanizmais. Didelėje koncentracijoje ir aukštesnėje temperatūroje hidroksido jonai gali defluorinti polimero paviršių. Reakcija pašalina fluoro atomus iš anglies grandinės, sukuriant nesočiąsias jungtis ir reaktyvias vietas, kurios yra pažeidžiamos tolesniam atakai.
Reakcija vyksta lėtai esant vidutinei temperatūrai. Esant 60 laipsnių ir 10% NaOH, ataka yra nereikšminga. Esant 95 laipsnių ir 25% NaOH, defluorinimo greitis tampa išmatuojamas. Polimero paviršius pasikeičia, tampa grubus ir ilgainiui įtrūksta. Degradacija iš pradžių apsiriboja paviršiumi, bet laikui bėgant prasiskverbia giliau.
| Kaustinė koncentracija | Temperatūra | Atakos greitis | Laikas padaryti matomą žalą | PTFE tinkamumas |
|---|---|---|---|---|
| 5% NaOH | 60 laipsnių | Nereikšmingas | >5 metai | Puikiai |
| 10% NaOH | 80 laipsnių | Žemas | 2-4 metai | Gerai |
| 20% NaOH | 90 laipsnių | Vidutinis | 6-18 mėnesių | Ribinis |
| 25% NaOH | 95 laipsnių | Aukštas | 3-8 mėn | Nerekomenduojama |
| 30% NaOH | 100 laipsnių + | Labai aukštas | 1-4 mėn | Netinka |
PTFE kaustinės atakos greitis kaip koncentracijos ir temperatūros funkcija
Pralaidumo skirtumas
HF ir kaustinė medžiaga taip pat skiriasi tuo, kaip jie prasiskverbia į PTFE. HF molekulės yra mažos ir polinės, jos vidutiniu greičiu difunduoja per polimerą. Patekę per apvalkalą, jie pasiekia MgO izoliaciją ir sumažina izoliacijos varžą. Pats polimeras lieka nepažeistas.
Šarminiuose tirpaluose yra hidroksido jonų ir vandens. Hidroksido jonai yra didesni ir mažiau judrūs nei HF, tačiau prasiskverbdami reaguoja su polimero paviršiumi. Reakcija sukuria suardytą sluoksnį, kuris yra pralaidesnis nei originalus PTFE, pagreitindamas tolesnį patekimą. Prasiskverbimo ir paviršiaus atakos derinys daro šarmą žalingesnį nei HF esant lygiavertei temperatūrai.
Kodėl temperatūra svarbiau nei koncentracija
Šarminės medžiagos ataka PTFE suaktyvinama termiškai. Kas 10 laipsnių temperatūros padidėjimas maždaug dvigubai padidina reakcijos greitį. 95 laipsnių vonia yra maždaug keturis kartus agresyvesnė nei 75 laipsnių ir aštuonis kartus agresyvesnė nei 65 laipsnių.
Štai kodėl PTFE šildytuvas, kuris metų metus tarnauja 20 % NaOH 60 laipsnių temperatūroje, gali sugesti per mėnesius 20 % NaOH 95 laipsnių temperatūroje. Koncentracija yra svarbi, tačiau temperatūra yra dominuojantis kintamasis.
Apvalkalo temperatūra yra dar svarbesnė nei masės temperatūra. Šildytuvas, veikiantis 95 laipsnių tūrio kampu ir 110–120 laipsnių apvalkalo temperatūra, veikia polimerą du ar keturis kartus didesniu greičiu, nei rodo masės temperatūra. Vatų tankio sumažinimas, siekiant sumažinti apvalkalo temperatūrą, yra veiksmingiausias būdas pailginti eksploatavimo laiką karštoje kaustikoje.
Praktinės kaustinės medžiagos naudojimo gairės
PTFE tinka šarminiam naudojimui esant vidutinei temperatūrai. Voniose, kurių temperatūra žemesnė nei 70 laipsnių, o koncentracija mažesnė nei 15%, PTFE panardinamasis šildytuvas veikia gerai ir užtikrina ilgą tarnavimo laiką. Vonioms, kurių temperatūra viršija 80 laipsnių arba koncentracija viršija 20%, sutrumpėja tarnavimo laikas, todėl reikėtų apsvarstyti alternatyvias medžiagas.
Karštai koncentruotai šarminei medžiagai nerūdijantis plienas 316L arba titanas gali būti tinkamesnis nei PTFE, su sąlyga, kad vonioje nėra chloridų, dėl kurių susidarytų duobės. Chlorido -turinčio šarmo medžiagų pasirinkimas dar labiau susiaurėja, todėl gali prireikti specializuoto lydinio.
| Aptarnavimo būklė | Rekomenduojama medžiaga | PTFE tinkamumas | Pastabos |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Puikiai | Ilgas tarnavimo laikas |
| 10–15 % NaOH, 60–75 laipsnių | PTFE | Gerai | Stebėkite apvalkalo būklę |
| 15–20 % NaOH, 75–85 laipsniai | PTFE arba titanas | Ribinis | Apsvarstykite alternatyvą |
| 20–25 % NaOH, 85–95 laipsniai | Titano arba 316L | Nerekomenduojama | PTFE suyra |
| >25% NaOH, >95 laipsnių | Specializuotas lydinys | Netinka | Kreipkitės į medžiagų specialistą |
Medžiagų rekomendacijos šarminiam naudojimui įvairiose koncentracijose ir temperatūroje
Kai PTFE yra teisingas pasirinkimas
PTFE yra tinkamas pasirinkimas šarminiam naudojimui esant vidutinei temperatūrai, vonioms, kuriose chemija keičiasi tarp rūgšties ir šarminės, ir tais atvejais, kai yra HF arba mišrių rūgščių. Dėl didelio atsparumo cheminėms medžiagoms jis yra saugiausias pasirinkimas, kai chemija yra neaiški arba kintama.
Karštoje koncentruotoje kaustinėje medžiagoje PTFE pasiekia savo ribas. Polimeras suyra, apvalkalas sugenda, šildytuvas turi būti pakeistas. Pasirinktinė PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracija su mažesniu vatų tankiu, storesniu apvalkalu ir geresne prieiga prie srauto gali pailginti eksploatavimo laiką esant ribinėms šarminėms sąlygoms, tačiau ji negali įveikti esminio nesuderinamumo kraštutiniame kausto spektro gale. Specifikacijos procesas reikalauja vonios chemijos, koncentracijos, temperatūros ir ankstesnių šildytuvų gedimų istorijos.
