PTFE ir ķīmiskās izturības čempions, taču tam ir paslēpts Ahileja papēdis: augstas-enerģijas starojums. Iekārtās, kas apstrādā radioaktīvos materiālus, gaiss pats var nest neredzamu, iznīcinošu spēku. Pat salīdzinoši neliela gamma starojuma deva, kas neietekmētu metālu, var klusi saplēst PTFE sildītāja apvalka garās polimēru ķēdes, pārvēršot reiz -elastīgu, izturīgu komponentu trauslā, saplaisājusi relikvija. Izpratne pargamma starojums PTFE sildītāja apvalka mehāniskās īpašībasattiecības ir būtiskas ikvienam inženierim, kurš norāda materiālus kodolmedicīnā, lietotās kodoldegvielas apstrādē vai jebkurā vidē, kurā ir jonizējošais starojums.
Molekulārais mehānisms: ķēdes šķelšanās, nevis termiskā novecošana
Kā gamma starojums uzbrūk polimēram
Gamma starojums ir jonizējošā starojuma -augstas-enerģijas fotoni, kas spēj izmest elektronus no atomiem un saraut ķīmiskās saites. Kad gamma fotoni ietriecas PTFE molekulā, tie izsit elektronus no polimēra molekulārā mugurkaula, radot brīvos radikāļus. Pēc tam šie radikāļi ierosina saišu -pārraušanas reakciju kaskādi. Primārais atteices mehānisms ir ķēdes pārrāvums: tieša, vardarbīga oglekļa-oglekļa un oglekļa-fluora saišu pārraušana pa polimēra ķēdi. Radiācija ne tikai sasilda polimēru; tā metodiski sagriež savu molekulāro mugurkaulu arvien īsākos fragmentos.
Šis process būtiski atšķiras no termiskās novecošanas. Siltums daudzos polimēros izraisa lēnu oksidēšanos un pakāpenisku šķērssavienojumu, bet PTFE ir īpaši karstumizturīgs līdz 260 grādiem. Tomēr gamma starojums uzbrūk polimēram bez izšķirības, pat istabas temperatūrā. PTFE nav droša zemas devas sliekšņa. Uzkrātā iedarbība neizbēgami izraisa degradāciju.
Deva, kas nogalina: ievērojama jutība
PTFE ir viens no visjutīgākajiem inženiertehniskajiem polimēriem. Kopējā absorbētā deva tikai no 10³ līdz 10⁴ Grey (Gy) -, kas atbilst 0,1 līdz 1,0 megaradam -, var izraisīt smagu, izmērāmu degradāciju. Kontekstā tipiskā letālā deva cilvēkam ir aptuveni 5 Gy. PTFE sāk uzrādīt īpašuma zudumu devās, kas ir par divām līdz trim kārtām zemākas nekā daudziem citiem polimēriem. Piemēram, polietilēns var izturēt devas līdz 10⁶ Gy, pirms notiek nopietna trauslums. PTFE nav šādas noturības.
Mehāniskās sekas: no stingrības līdz krītam
Lokanības un stiepes izturības zudums
Tūlītēja gamma starojuma mehāniskā ietekme uz PTFE ir katastrofāls elastības zudums. Pārrāvuma pagarinājums - norāda, cik tālu materiāls var izstiepties pirms lūzuma - pēc mērenas devas no vairāk nekā 300% neapstrādātajam PTFE samazinās līdz gandrīz nullei. Paralēli stiepes izturība samazinās. Materiāls kļūst stīvs, pēc tam stiklveida un visbeidzot krītains. PTFE sildītāja apvalks, kas sākotnēji bija pietiekami izturīgs, lai izturētu vibrāciju, termisko ciklu un nelielus triecienus, kļūst tik trausls, ka to var sadrupināt starp pirkstiem.
Šis trauslums ir neatgriezenisks. Nekāda atkausēšana vai pēcapstrāde nevar atjaunot sākotnējo molekulmasu. Kad ķēdes ir pārrautas, mehāniskā integritāte tiek neatgriezeniski zaudēta.
Kļūme ekspluatācijas apstākļos
Lietojot sildītāju, sekas ir tūlītējas un smagas. Trausls PTFE apvalks nevar absorbēt atšķirīgo termisko izplešanos starp iekšējās pretestības stiepli un polimēru. Veidojas nelielas plaisas, kas ātri izplatās termiskā cikla laikā. Šīs plaisas ļauj mitrumam iekļūt, izraisot elektrisko īssavienojumu. Sildītājs sabojājas nevis tāpēc, ka PTFE ir ķīmiski reaģējis, bet gan tāpēc, ka tas ir fiziski sadalījies. Pat neliela kopējā deva, kas uzkrāta laika gaitā -, piemēram, 10³ Gy vairāku gadu laikā -, izraisīs šo trauslumu.
Kāpēc PTFE ir aizliegts radiācijas vidē
Kodolenerģijas un radioaktīvās apstrādes cietais ierobežojums
Šīs ārkārtējās jutības dēļ PTFE - un, protams, visus fluorpolimērus - ir stingri aizliegts izmantot jebkurā vidē ar ievērojamu jonizējošo starojumu. Tipiskās izslēgšanas zonas ietver:
Kodolreaktoru izolācija (gan primārā, gan sekundārā sistēma)
Izlietotās kodoldegvielas uzglabāšanas un pārstrādes iekārtas
Radioaktīvo materiālu apstrādes šūnas (piemēram, medicīnisko izotopu ražošana)
Augstas enerģijas daļiņu paātrinātāja staru līnijas
Gamma apstarošanas sterilizācijas iekārtas (kur mērķis būtu polimērs)
Šādās vidēs PTFE sildītāja apvalks dažu nedēļu vai mēnešu laikā kļūtu nederīgs, radot drošības risku, kā arī uzticamības problēmu. Materiālu izvēle starojumam pakļautiem sildelementiem pāriet uz starojuma izturīgiem polimēriem, piemēram, poliimīdu (Kapton), kas var panest devas līdz 10⁷ Gy, vai uz neorganiskiem materiāliem, piemēram, keramiku (alumīnija oksīds, bora nitrīds) un metāliem (nerūsējošais tērauds, Inconel) ar neorganisku izolāciju (magnija oksīds).
Piezīme par ekranēšanu un attālumu
Dažkārt tiek mēģināts novērst vienu no iespējamiem mazināšanas veidiem, - atrodot sildītāju ārpus tiešā starojuma lauka un izmantojot pagarinātus vadus -. Tomēr gamma starojums ir ļoti caurlaidīgs. Lai samazinātu devu līdz PTFE drošam līmenim, būtu nepieciešams biezs svina vai betona ekranējums, kas bieži vien ir nepraktiski kompaktā sildītāja komplektā. Praktiskiem nolūkiem PTFE tiek uzskatīts par nesaderīgu ar jebkuru vidi, kur kopējā deva sildītāja projektētajā kalpošanas laikā pārsniedz 10³ Gy.
Parasto polimēru salīdzinošā radiācijas izturība
| Materiāls | Aptuvenais būtiskas degradācijas slieksnis (Gy) | Neveiksmes mehānisms |
|---|---|---|
| PTFE (teflons) | 10³ – 10⁴ | Ķēdes šķelšanās, trausls |
| Polietilēns (PE) | 10⁶ – 10⁷ | Šķērssaistīšana, sacietēšana |
| Poliimīds (Kapton) | 10⁷ – 10⁸ | Pakāpenisks pagarinājuma zudums |
| Epoksīda sveķi | 10⁶ – 10⁷ | Krekinga, izplūde |
| Silikona elastomēri | 10⁵ – 10⁶ | Sacietēšana, elastības zudums |
Dati parāda, ka PTFE ir - par lielumu jutīgāks nekā nākamais vājākais parastais polimērs. Šī ir stingra, nepielūdzama robeža.
Secinājums: katram materiālam ir sava nemēze
PTFE jutība pret gamma starojumu ir stingra, nepielūdzama robeža. Sildītāja apvalkam, kas izgatavots no PTFE, nav vietas starojuma vidē neatkarīgi no tā, cik ķīmiski agresīva šī vide būtu. Polimērs, kas pretojas gandrīz visām skābēm, bāzēm un šķīdinātājiem, acumirklī nonāk neredzamā jonizējošā starojuma uzbrukumā. Katram materiālam, neatkarīgi no tā, cik ķīmiski tas ir augstākais, ir savs specifisks, fatāls vides vājums. PTFE gadījumā šis vājums ir ierakstīts gamma staros. Lai norādītu sildītāju kodolenerģijas vai radioloģiskām iekārtām, PTFE ir jāatstāj malā un jāsasniedz keramikas, metāla vai ar radiāciju izturīgi polimēru - materiāli, kas var stāvēt gamma fotona ceļā bez sabrukšanas.
