Завод хімічної обробки встановив занурювальний нагрівач PTFE у ванну з 30% азотною кислотою при 92 градусах. Обігрівач був розрахований на температуру та хімію. Він вийшов з ладу через чотири місяці-не лише через проникнення, а через комбінацію проникнення й окислення, які розкладали полімер швидше, ніж будь-який механізм окремо. Оболонка показала малюнок дрібних тріщин і чітке пожовтіння, характерне для окисної атаки.
Окислювальні кислоти-азотна кислота, хромова кислота, сірчана кислота у високій концентрації та суміші, що містять пероксиди або персульфати-, становлять особливу проблему для занурювальних нагрівачів з ПТФЕ. Полімер стійкий до окислення при помірних температурах. При температурі вище 90 градусів комбінація окислення та термічної напруги перевищує стійкість полімеру.
Механізм окислення PTFE
ПТФЕ стійкий до окислення, оскільки зв’язки між вуглецем-фтором міцні, а атоми фтору захищають вуглецеву основу. Однак за підвищених температур кисень або окислювачі можуть атакувати полімер у слабких місцях-кінців ланцюга, залишкових домішок і структурних дефектів, які з’являються під час виробництва.
Атака створює карбонілфторид та інші окислені речовини, які руйнують полімерний ланцюг. Результатом є розрив ланцюга, що зменшує молекулярну масу та механічну міцність. Поверхня стає крихкою і на ній з’являються дрібні тріщини. Тріщини забезпечують шляхи для подальшого проникнення та атаки.
Швидкість окислення залежить від температури, концентрації окислювачів і присутності каталізаторів, таких як іони металів. Залізо, мідь та інші перехідні метали можуть каталізувати окислення PTFE, прискорюючи деградацію.
| Окислювальна кислота | Концентрація | температура | Швидкість окислення | Термін служби PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Азотна кислота | 20% | 70 градусів | Низький | 3–5 років |
| Азотна кислота | 30% | 90 градусів | Помірний | 6–14 місяців |
| Азотна кислота | 30% | 95 градусів | Високий | 3–8 місяців |
| Азотна кислота | 50% | 90 градусів | Дуже високий | 2–6 місяців |
| Хромова кислота | 20% | 90 градусів | Високий | 4–10 місяців |
| Сірчана кислота | 70% | 95 градусів | Помірний–Високий | 6–14 місяців |
| Перекис-містить | 5% | 80 градусів | Високий | 4–10 місяців |
Швидкість окислення та термін служби PTFE в окислювальній кислоті вище 90 градусів
Комбінований ефект окислення та проникнення
Окислення і проникнення не є незалежними. Окислення створює поверхневі тріщини та підвищує проникність полімеру. Проникнення приносить вологу та хімію глибше в полімер, де вони можуть реагувати з окисленими ділянками. Два механізми підсилюють один одного.
Нагрівач в окислювальній кислоті вище 90 градусів може демонструвати поступове зниження опору ізоляції протягом тижнів, після чого настає раптове зниження, коли тріщина проникає на всю товщину оболонки. Раптове падіння часто є першою ознакою того, що щось не так. До того часу полімер розкладався тижнями.
Комбінація є більш шкідливою, ніж будь-який механізм окремо. Нагрівач у не-окислювальній кислоті за тієї самої температури може працювати вдвічі довше, оскільки полімер не хімічно руйнується-лише проникає.
Температура: домінуюча змінна
Швидкість окислення приблизно подвоюється на кожні 10 градусів підвищення температури. Нагрівач, що працює при 95 градусах, приблизно в чотири рази більш сприйнятливий до окислення, ніж нагрівач при 75 градусах, і у вісім разів більш сприйнятливий, ніж нагрівач при 65 градусах.
Температура оболонки навіть більш важлива, ніж температура об'єму. Нагрівач, що працює при температурі 92 градуси, з температурою оболонки 110 градусів, піддає полімер швидкості окислення, яка в два-чотири рази перевищує швидкість об’єму. Зменшення щільності ват для зниження температури оболонки є найефективнішим способом продовження терміну служби.
Практичні рекомендації щодо окислювачів кислот вище 90 градусів
Для азотної кислоти при концентраціях нижче 20% і температурах нижче 70 градусів занурювальний нагрівач з PTFE працює добре і забезпечує прийнятний термін служби. Понад 30% концентрації або 90 градусів термін служби короткий, тому слід розглянути альтернативні матеріали.
Для хромової кислоти з концентрацією вище 20% або 90 градусів швидкість окислення висока, і нагрівач може вийти з ладу протягом декількох місяців. Карбід кремнію або кварц можуть бути більш придатними, залежно від хімічного складу.
Для сірчаної кислоти з концентрацією вище 70% і температурою 95 градусів комбінація високої температури, високої концентрації та умов окислення виводить полімер за межі його практичних можливостей.
| Стан обслуговування | Придатність PTFE | Рекомендована щільність у Ватах | Очікуваний термін служби |
|---|---|---|---|
| 10-20% азотної кислоти,<70°C | Чудово | 1,2–1,5 Вт/см² | 3–5 років |
| 20–30% азотна кислота, 70–90 град | Маргінальний | 0,8–1,0 Вт/см² | 8–18 місяців |
| 30–50% nitric acid, >90 градусів | Не підходить | - | <6 months |
| 10–20% хромової кислоти, 70–90 град | Маргінальний | 0,8–1,0 Вт/см² | 6–14 місяців |
| >20% chromic acid, >90 градусів | Не підходить | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 градусів | Маргінальний | 0,8–1,0 Вт/см² | 6–14 місяців |
Придатність PTFE та параметри специфікації для окисних кислот вище 90 градусів
Коли PTFE досягає своїх меж
PTFE досягає своїх меж у окислювальній кислотній службі, коли температура перевищує 90 градусів і концентрація висока. У цих умовах швидкість окислення перевищує опірність полімеру, а термін служби падає нижче одного року.
У цих застосуваннях слід розглядати альтернативні матеріали. Карбід кремнію забезпечує більш високу температурну здатність і стійкість до окислення. Кварц підходить для азотної та хромової кислот, але не для лужних умов. Титан добре працює в азотній кислоті, але не у відновлюючих кислотах.
Коли спеціальна конфігурація розширює продуктивність PTFE
Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з дуже низькою щільністю ват, товстою оболонкою та покращеним доступом до потоку знижує температуру оболонки та швидкість окислення. Удосконалення може подовжити термін служби від місяців до понад року в умовах слабкого окислення. Процес специфікації вимагає хімічного складу кислоти, концентрації, робочої температури та необхідної потужності. Для об’єктів із кислотними ваннами з окисною температурою вище 90 градусів цей-спеціальний підхід забезпечує рішення там, де стандартні нагрівачі не можуть.
