Ķīmiskā rūpnīcā gandrīz četrus gadus PTFE iegremdējamais sildītājs darbojās 20% fluorūdeņražskābes vannā 50 grādu temperatūrā. Sildītājs darbojās uzticami, un, kad tas beidzot tika nomainīts, kļūme bija mehāniska-apkopes kļūdas dēļ bojāta spaile-nevis ķīmiska. Tā pati iekārta uzstādīja identisku sildītāju 25% nātrija hidroksīda vannā 95 grādu temperatūrā. Tas neizdevās piecu mēnešu laikā. Ķīmija bija mainījusies no vienas galējības uz otru, un PTFE nevarēja tikt galā ar abiem.
PTFE bieži tiek raksturots kā ķīmiski inerts visā pH diapazonā. Šis apraksts ir precīzs lielākajai daļai apstākļu, taču tas sabojājas galējos gadījumos-īpaši karstos, koncentrētos kodīgos šķīdumos. Lai saprastu, kāpēc PTFE ir izturīgs pret HF, bet neizdodas karstā kodīgā vidē, ir jāaplūko polimēra ķīmija un mehānismi, ar kuriem dažādas ķīmiskās sugas tam uzbrūk.
Kāpēc PTFE ir izturīgs pret fluorūdeņražskābi
Fluorūdeņražskābe ir viena no agresīvākajām ķīmiskajām vielām rūpniecībā. Tas uzbrūk stiklam, kvarcam un lielākajai daļai metālu. Tas iekļūst ādā un bojā kaulus. Tomēr PTFE ar to tiek galā viegli.
Iemesls ir oglekļa{0}}fluora saite. PTFE ir oglekļa atomu ķēde, ko pilnībā ieskauj fluora atomi. Oglekļa -fluora saite ir spēcīgākā vienotā saite organiskajā ķīmijā ar saites enerģiju aptuveni 485 kJ/mol. HF nav enerģijas vai ķīmiskā mehānisma, lai pārtrauktu šo saiti.
HF arī nešķīst un neuzbriest PTFE. Polimēru ķēdes ir cieši iesaiņotas, un fluora atomi pasargā oglekļa mugurkaulu no uzbrukumiem. HF molekulas laika gaitā var iekļūt polimērā, taču tās ar to nereaģē. Caurlaidības ātrums ir lēns un atkarīgs no temperatūras, bet pats polimērs paliek neskarts.
Kāpēc karsti koncentrēti kodīgi uzbrūk PTFE
Nātrija hidroksīds un citas spēcīgas bāzes uzbrūk PTFE, izmantojot citu mehānismu. Augstās koncentrācijās un paaugstinātā temperatūrā hidroksīda joni var defluorēt polimēra virsmu. Reakcija no oglekļa ķēdes noņem fluora atomus, radot nepiesātinātas saites un reaktīvas vietas, kas ir neaizsargātas pret turpmākiem uzbrukumiem.
Reakcija ir lēna mērenā temperatūrā. Pie 60 grādiem un 10% NaOH uzbrukums ir niecīgs. Pie 95 grādiem un 25% NaOH defluorēšanas ātrums kļūst izmērāms. Polimēra virsma maina krāsu, kļūst raupja un galu galā saplaisā. Sākumā noārdīšanās notiek tikai virspusē, bet laika gaitā tā iekļūst dziļāk.
| Kaustiskā koncentrācija | Temperatūra | Uzbrukuma ātrums | Laiks līdz redzamiem bojājumiem | PTFE piemērotība |
|---|---|---|---|---|
| 5% NaOH | 60 grādi | Nenozīmīgs | >5 gadi | Lieliski |
| 10% NaOH | 80 grādi | Zems | 2-4 gadi | Labi |
| 20% NaOH | 90 grādi | Mērens | 6-18 mēneši | Margināls |
| 25% NaOH | 95 grādi | Augsts | 3-8 mēneši | Nav ieteicams |
| 30% NaOH | 100 grādi + | Ļoti augsts | 1-4 mēneši | Nav piemērots |
Kaustiskā uzbrukuma ātrums PTFE kā koncentrācijas un temperatūras funkcija
Caurlaidības atšķirība
HF un kodīgs atšķiras arī ar to, kā tie caurstrāvo PTFE. HF molekulas ir mazas un polāras, un tās mērenā ātrumā izkliedējas caur polimēru. Caur apvalku tie sasniedz MgO izolāciju un samazina izolācijas pretestību. Pats polimērs paliek neskarts.
Kaustiskie šķīdumi satur hidroksīda jonus un ūdeni. Hidroksīda joni ir lielāki un mazāk mobili nekā HF, bet tie reaģē ar polimēra virsmu, kad tie caurplūst. Reakcija rada degradētu slāni, kas ir vairāk caurlaidīgs nekā sākotnējais PTFE, paātrinot turpmāku iekļūšanu. Caurlaidības un virsmas iedarbības kombinācija padara kodīgo vielu daudz kaitīgāku nekā HF līdzvērtīgā temperatūrā.
Kāpēc temperatūrai ir lielāka nozīme nekā koncentrācijai
Kodīgo vielu uzbrukums PTFE tiek termiski aktivizēts. Katrs 10 grādu temperatūras pieaugums aptuveni divkāršo reakcijas ātrumu. Vanna 95 grādu temperatūrā ir aptuveni četras reizes agresīvāka nekā viena 75 grādu temperatūrā un astoņas reizes agresīvāka nekā viena 65 grādu temperatūrā.
Tāpēc PTFE sildītājs, kas gadiem ilgi kalpo 20% NaOH 60 grādu temperatūrā, var sabojāties mēnešos 20% NaOH 95 grādu temperatūrā. Koncentrācijai ir nozīme, bet temperatūra ir dominējošais mainīgais.
Apvalka temperatūra ir vēl svarīgāka par tilpuma temperatūru. Sildītājs, kas darbojas 95 grādu tilpuma temperatūrā un apvalka temperatūru 110–120 grādi, pakļauj polimēru uzbrukuma ātrumam, kas ir divas līdz četras reizes lielāks, nekā liecina tilpuma temperatūra. Vatu blīvuma samazināšana, lai pazeminātu apvalka temperatūru, ir visefektīvākais veids, kā pagarināt kalpošanas laiku karstā kaustiskā vidē.
Praktiskās vadlīnijas kodīgajai lietošanai
PTFE ir piemērots kodīgai lietošanai mērenā temperatūrā. Vannām zem 70 grādiem un koncentrācijām zem 15%, PTFE iegremdējamais sildītājs darbojas labi un nodrošina ilgu kalpošanas laiku. Vannām virs 80 grādiem vai koncentrācijām virs 20%, kalpošanas laiks tiek saīsināts, un jāapsver alternatīvi materiāli.
Karstai koncentrētai kodīgai vielai nerūsējošais tērauds 316L vai titāns var būt piemērotāks par PTFE, ja vanna nesatur hlorīdus, kas varētu izraisīt bedru veidošanos. Hlorīdu-saturošam kodīgam materiālam materiālu izvēles iespējas vēl vairāk sašaurinās, un var būt nepieciešams specializēts sakausējums.
| Servisa stāvoklis | Ieteicamais materiāls | PTFE piemērotība | Piezīmes |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Lieliski | Ilgs kalpošanas laiks |
| 10–15% NaOH, 60–75 grādi | PTFE | Labi | Uzraudzīt apvalka stāvokli |
| 15–20% NaOH, 75–85 grādi | PTFE vai titāns | Margināls | Apsveriet alternatīvu |
| 20–25% NaOH, 85–95 grādi | Titāna vai 316L | Nav ieteicams | PTFE noārdās |
| >25% NaOH, >95 grādi | Specializēts sakausējums | Nav piemērots | Konsultējieties ar materiālu speciālistu |
Materiālu ieteikumi kodīgai lietošanai dažādās koncentrācijās un temperatūrās
Kad PTFE ir pareizā izvēle
PTFE ir pareizā izvēle kodīgai lietošanai mērenās temperatūrās, vannām, kur ķīmiskā sastāva mainās starp skābi un sārmu, un lietojumiem, kur ir HF vai jauktas skābes. Tā plašā ķīmiskā izturība padara to par drošāko izvēli, ja ķīmija ir neskaidra vai mainīga.
Karstā koncentrētā kodīgā vielā PTFE sasniedz savas robežas. Polimērs noārdās, apvalks sabojājas, un sildītājs ir jānomaina. Pielāgota PTFE iegremdējamā sildītāja konfigurācija ar mazāku vatu blīvumu, biezāku apvalku un uzlabotu piekļuvi plūsmai var pagarināt kalpošanas laiku nelielos kodīgos apstākļos, taču tā nevar pārvarēt būtisku nesaderību kaustiskā spektra galējā galā. Specifikācijas procesam ir nepieciešama vannas ķīmija, koncentrācija, temperatūra un iepriekšējo sildītāju atteices vēsture.
