Tīrs PTFE ir labi kalpojis nozarei gadu desmitiem, taču tā maksimālā darba temperatūra 110 grādi pēc Celsija un salīdzinoši zemā mehāniskā izturība rada konstrukcijas ierobežojumus. Jauni fluorpolimēru maisījumi un kompozītmateriāli virza šīs robežas, paplašinot vietu, kur var izmantot PTFE-stila sildītājus. Materiālzinātnes sasniegumi sniedz iespējas, kas saglabā ķīmisko inerci, vienlaikus piedāvājot augstāku termisko stabilitāti, labāku struktūras integritāti un uzlabotu siltumvadītspēju.
Nemodificēta PTFE ierobežojumi sildītāju lietojumos
PTFE (politetrafluoretilēns) tiek novērtēts ar gandrīz -universālu ķīmisko izturību un nepiedegošo virsmu. Tomēr tā nepārtrauktas lietošanas temperatūras griesti, kas ir aptuveni 110 grādi (230 °F), ierobežo tā pielietojumu karstākās procesa vannās vai augsta -vatu- blīvuma iegremdējamos sildītājos. Zem šī sliekšņa PTFE darbojas lieliski; virs tā materiāls sāk mīkstināt, ložņāt un zaudēt mehānisko integritāti. Turklāt tīram PTFE ir zema siltumvadītspēja un slikta izturība pret abrazīviem šķidrumiem, kas ierobežo sildītāja dizainu un ilgmūžību.
Fluoropolimēru maisījumi: PFA{0}}PTFE un ne tikai
Viens daudzsološs virziens ir PTFE sajaukšana ar citiem perfluorētiem polimēriem. PFA (perfluoralkoksi) ir tuvs ķīmiskais radinieks, kas uztur nepārtrauktu lietošanas temperatūru ap 260 grādiem (500 ° F), vienlaikus nodrošinot līdzīgu inerci gandrīz visām ķīmiskajām vielām. Ja neliels daudzums PFA tiek sajaukts PTFE matricā, iegūtajam sakausējumam ir uzlabota metināmība, samazināta porainība un augstāks mīkstināšanas punkts, salīdzinot ar tīru PTFE. Šisfluorpolimēru maisījuma PTFE sildītāja uzlabošanaļauj sildītāja apvalkiem un piederumiem izturēt periodiskas temperatūras svārstības, kas deformētu standarta PTFE.
Citi fluorpolimēru modifikatori ir FEP (fluorēts etilēna propilēns) un MFA (terpolimērs, kas līdzīgs PFA). Katrs maisījums pielāgo noteiktas īpašības-plūsmu formēšanas laikā, saķeri ar metāla serdeņiem vai izturību pret agresīvu gāzu caurlaidību-, nezaudējot būtisko izturību pret koroziju.
Praktiskas priekšrocības sildītāja veiktspējai
Jauktie fluorpolimēru apvalki nodrošina divus būtiskus sasniegumus. Pirmkārt, tie ļauj sildītājiem, kuru pamatā ir PTFE{1}}, darboties ar lielāku vatu blīvumu, kas nozīmē, ka caur to pašu virsmas laukumu var pārnest vairāk siltuma bez lokalizētas pārkaršanas. Otrkārt, tie uzlabo izturību pret termisko ciklu-atkārtotiem sildīšanas un dzesēšanas cikliem, kas izraisa tīra PTFE mikro-plaisas un atslāņošanos no metāla sildelementiem. Tādos prasīgos lietojumos kā pusvadītāju mitrā kodināšana vai augstas-tīrības pakāpes farmaceitiskie reaktori, šie uzlabojumi nodrošina ilgāku sildītāja kalpošanas laiku un samazina dīkstāves laiku.
Pastiprināti PTFE kompozītmateriāli: pildvielas izturībai un vadītspējai
Papildus polimēru{0}}polimēru maisījumiem, neorganisko pildvielu pievienošana PTFE rada pastiprinātus kompozītmateriālus ar izteikti atšķirīgu īpašību profilu. Parastās pildvielas ir stikla šķiedra, oglekļa pulveris, grafīts un bronza. Katra pildviela nodrošina īpašus uzlabojumus:
Stikla šķiedra (15–25 % no svara):Palielina mehānisko izturību, nodilumizturību un šļūdes pretestību. Samazina termisko izplešanos.
Ogleklis vai grafīts (5–15%):Uzlabo siltumvadītspēju, ļaujot siltumam efektīvāk pāriet no iekšējā sildelementa uz procesa šķidrumu. Samazina arī statiskā lādiņa uzkrāšanos.
Bronza (40–60%):Izmanto galvenokārt slodzi{0}}nesošām mehāniskām daļām, parasti ne sildītāja apvalkiem, jo ir samazināta ķīmiskā izturība.
Sildītāja komponentiem vispiemērotākais stiegrojums ir ar grafītu{0}}pildīts PTFE. Augstāka siltumvadītspēja nozīmē, ka sildītāja virsma darbojas vēsāk ar tādu pašu jaudu, samazinot polimēra noārdīšanās risku. Tomēr jebkuras pildvielas pievienošana rada kompromisu-: ķīmiskā izturība vairs nav absolūta. Pildīto PTFE parasti izmanto mehāniskiem komponentiem, piemēram, montāžas kronšteiniem, kompresijas blīvēm vai atbalsta konstrukcijām, kas nav tieši iegremdētas korozīvā vidē. Tā izmantošana iegremdējamā sildītāja apvalkos joprojām ir niša, kas paredzēta lietojumiem, kur šķidrums var izturēt metālisku vai oglekļa piesārņojumu.
Praktiskā ietekme: darbības aploksnes paplašināšana
Tagad ir iespējams izmantot PTFE{0}}stila sildītājus procesos, kuros iepriekš bija nepieciešami eksotisku metālu sildītāji, piemēram, titāna, tantala vai cirkonija sildītāji. Piemēram, PFA-PTFE maisījuma apvalks var izturēt nepārtrauktu darbību 150 līdz 180 grādu temperatūrā agresīvos skābju maisījumos, kur nerūsējošais tērauds sabojājas dažu stundu laikā. Līdzīgi ar grafītu{6}}pastiprināta PTFE sildītāja serdeņa var izkliedēt lielāku vatu blīvumu, neveidojot karstos punktus, padarot to piemērotu viskozu šķidrumu vai augstas -plūsmas sistēmu sildīšanai.
Vēl viens praktisks ieguvums ir uzlabota metināmība. Tīrs PTFE ir ļoti grūti metināms; savienojumi parasti tiek izgatavoti, izmantojot vītņotus vai skavām savienotus veidgabalus. PFA-bagātos maisījumus var termiski-metināt, izmantojot standarta fluorpolimēru metināšanas iekārtas, kas ļauj izgatavot sarežģītas, viengabalainas sildītāja ģeometrijas, kas ir uzticamākas un noturīgākas pret noplūdēm.
Tehniskie apsvērumi un ierobežojumi
Inženieriem ir jāatzīst, ka materiālu izvēle joprojām ir izmaksu, veiktspējas un specifiskās ķīmiskās saderības līdzsvars. PFA ir ievērojami dārgāks nekā PTFE{1}}bieži divas līdz trīs reizes pārsniedz izejvielu izmaksas. Maisījumiem, kas ietver PFA vai FEP, ir atbilstoša cenas piemaksa. Pildīti PTFE kompozītmateriāli parasti ir lētāki nekā PFA, taču tie rada iespējamu piesārņojuma risku. Īpaši-tīriem vai pusvadītāju-kategorijas lietojumiem pat izskalojumi ar pildvielām var būt nepieņemami.
Turklāt maisījumu ražošanas procesi atšķiras no tīra PTFE. Preses formēšanas un saķepināšanas parametri ir jāpielāgo katram sastāvam. Ne visiem pielāgotajiem ražotājiem ir pieredze ar PFA-PTFE maisījumiem vai pastiprinātiem kompozītmateriāliem, kas var ierobežot piegādes iespējas.
Nākotnes virzieni fluorpolimēru sildītāju materiālos
Pašlaik notiekošo pētījumu laikā tiek pētītas nanopildvielas,{0}}piemēram, oglekļa nanocaurules vai bora nitrīda daļiņas,-lai uzlabotu siltumvadītspēju, neapdraudot ķīmisko izturību. Vēl viena attīstības joma ir daudzslāņu ko{3}ekstrūzija, kur plāns, tīrs PTFE ārējais slānis aizsargā stiprāku vai vadošāku iekšējo slāni. Šie sasniegumi sola atdalīt virsmas inerci no lielapjoma mehāniskajām īpašībām, piedāvājot labāko no abām pasaulēm.
Secinājums
Uzlabotie fluorpolimēru materiāli pakāpeniski paplašina korozijizturīgo sildītāju darbības robežas. PFA-PTFE maisījumi nodrošina augstākus temperatūras rādītājus un labāku metināmību, savukārt pastiprināti PTFE kompozītmateriāli nodrošina lielāku mehānisko izturību un siltumvadītspēju. Katrai materiāla iespējai ir atšķirīgas-izmaksas, ķīmiskās saderības un ražošanas sarežģītības kompromiss. Tā kā procesa temperatūra paaugstinās un ķīmiskā vide kļūst agresīvāka, šo nākamās paaudzes fluorpolimēru pieejamība sniedz inženieriem plašāku paleti uzticamu, ilgmūžīgu PTFE apkures risinājumu izstrādei. Tomēr materiālu izvēle joprojām ir izmaksu, veiktspējas un specifiskās ķīmiskās saderības līdzsvars{9}}neviens maisījums nav optimāls katram lietojumam.
