Obrat za kemično predelavo je namestil PTFE potopni grelnik v kopel s 30 % dušikovo kislino pri 92 stopinjah. Grelec je bil ocenjen glede na temperaturo in kemijo. Po štirih mesecih-je propadel, ne samo zaradi prepustnosti, ampak zaradi kombinacije prepustnosti in oksidacije, ki je razgradila polimer hitreje, kot bi to storil kateri koli mehanizem sam. Ovoj je pokazal vzorec drobnih razpok in izrazito porumenelost, ki je značilna za oksidativni napad.
Oksidativne kisline-dušikova kislina, kromova kislina, žveplova kislina v visokih koncentracijah in mešanice, ki vsebujejo perokside ali persulfate-predstavljajo poseben izziv za PTFE potopne grelnike. Polimer je odporen proti oksidaciji pri zmernih temperaturah. Nad 90 stopinj kombinacija oksidacije in toplotne obremenitve preseže odpornost polimera.
Oksidacijski mehanizem na PTFE
PTFE je odporen proti oksidaciji, ker so ogljik-fluorove vezi močne in atomi fluora ščitijo ogljikovo ogrodje. Vendar pa lahko pri povišanih temperaturah kisik ali oksidanti napadejo polimer na šibkih točkah-koncih verige, ostankih nečistoč in strukturnih napakah, ki nastanejo med proizvodnjo.
Napad ustvari karbonil fluorid in druge oksidirane vrste, ki motijo polimerno verigo. Rezultat je prekinitev verige, ki zmanjša molekulsko maso in mehansko trdnost. Površina postane krhka in na njej se pojavijo drobne razpoke. Razpoke zagotavljajo poti za nadaljnje prodiranje in napad.
Hitrost oksidacije je odvisna od temperature, koncentracije oksidantov in prisotnosti katalizatorjev, kot so kovinski ioni. Železo, baker in druge prehodne kovine lahko katalizirajo oksidacijo PTFE in pospešijo razgradnjo.
| Oksidativna kislina | Koncentracija | Temperatura | Stopnja oksidacije | Življenjska doba PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Dušikova kislina | 20% | 70 stopinj | Nizka | 3–5 let |
| Dušikova kislina | 30% | 90 stopinj | Zmerno | 6–14 mesecev |
| Dušikova kislina | 30% | 95 stopinj | visoko | 3–8 mesecev |
| Dušikova kislina | 50% | 90 stopinj | Zelo visoko | 2–6 mesecev |
| Kromova kislina | 20% | 90 stopinj | visoko | 4–10 mesecev |
| Žveplova kislina | 70% | 95 stopinj | Zmerno–visoko | 6–14 mesecev |
| Vsebuje-peroksid | 5% | 80 stopinj | visoko | 4–10 mesecev |
Stopnje oksidacije in življenjska doba PTFE pri uporabi oksidacijske kisline nad 90 stopinj
Kombinirani učinek oksidacije in prepustnosti
Oksidacija in permeacija nista neodvisni. Oksidacija ustvari površinske razpoke in poveča prepustnost polimera. Prepustnost prinese vlago in kemijo globlje v polimer, kjer lahko reagirajo z oksidiranimi mesti. Oba mehanizma se med seboj krepita.
Grelnik v oksidacijski kislini nad 90 stopinj lahko pokaže postopno zmanjšanje izolacijske upornosti v tednih, čemur sledi nenaden padec, ko razpoka prodre skozi celotno debelino ovoja. Nenaden padec je pogosto prvi znak, da je nekaj narobe. Do takrat se je polimer več tednov razgrajeval.
Kombinacija je bolj škodljiva kot vsak drug mehanizem. Grelec v ne-oksidirajoči kislini pri isti temperaturi lahko zdrži dvakrat dlje, ker se polimer kemično ne razgradi-samo prežet.
Temperatura: prevladujoča spremenljivka
Stopnja oksidacije se približno podvoji za vsakih 10 stopinj dviga temperature. Grelnik, ki deluje pri 95 stopinjah, je približno štirikrat bolj dovzeten za oksidacijo kot tisti pri 75 stopinjah in osemkrat bolj dovzeten kot grelnik pri 65 stopinjah.
Temperatura plašča je še pomembnejša od temperature v razsutem stanju. Grelec, ki deluje pri 92 stopinjah v razsutem stanju s temperaturo plašča 110 stopinj, izpostavi polimer oksidacijskim stopnjam, ki so dva- do štirikrat višje od temperature v razsutem stanju. Zmanjšanje gostote vatov za znižanje temperature plašča je najučinkovitejši način za podaljšanje življenjske dobe.
Praktične smernice za oksidativne kisline nad 90 stopinj
Za dušikovo kislino pri koncentracijah pod 20 % in temperaturah pod 70 stopinj se PTFE potopni grelec dobro obnese in zagotavlja sprejemljivo življenjsko dobo. Nad 30-odstotno koncentracijo ali 90 stopinjami je življenjska doba kratka, zato je treba razmisliti o alternativnih materialih.
Pri koncentraciji kromove kisline nad 20 % ali 90 stopinj je stopnja oksidacije visoka in grelec lahko odpove v nekaj mesecih. Silicijev karbid ali kremen je morda primernejši, odvisno od kemije.
Za žveplovo kislino nad 70 % koncentracijo in 95 stopinjami kombinacija visoke temperature, visoke koncentracije in oksidacijskih pogojev potisne polimer čez njegove praktične meje.
| Pogoj storitve | Primernost PTFE | Priporočena vatna gostota | Pričakovana življenjska doba |
|---|---|---|---|
| 10-20% dušikove kisline,<70°C | Odlično | 1,2–1,5 W/cm² | 3–5 let |
| 20–30% dušikova kislina, 70–90 stopinj | Obrobni | 0,8–1,0 W/cm² | 8–18 mesecev |
| 30–50% nitric acid, >90 stopinj | Ni primerno | - | <6 months |
| 10–20% kromove kisline, 70–90 stopinj | Obrobni | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 mesecev |
| >20% chromic acid, >90 stopinj | Ni primerno | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 stopinj | Obrobni | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 mesecev |
Primernost PTFE in parametri specifikacije za oksidacijske kisline nad 90 stopinj
Ko PTFE doseže svoje meje
PTFE doseže svoje meje pri uporabi oksidativne kisline, ko temperatura preseže 90 stopinj in je koncentracija visoka. Pri teh pogojih stopnja oksidacije presega odpornost polimera, življenjska doba pa pade pod eno leto.
Pri teh aplikacijah je treba upoštevati alternativne materiale. Silicijev karbid ponuja višjo temperaturno zmogljivost in odpornost proti oksidaciji. Kremen je primeren za dušikove in kromove kisline, ne pa tudi za alkalne pogoje. Titan se dobro obnese v dušikovi kislini, ne pa tudi v redukcijskih kislinah.
Ko konfiguracija po meri razširi zmogljivost PTFE
Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z zelo nizko vatno gostoto, debelim plaščem in izboljšanim dostopom do pretoka zmanjša temperaturo plašča in stopnjo oksidacije. Izboljšanje lahko podaljša življenjsko dobo z mesecev na več kot eno leto v pogojih mejne oksidacijske kisline. Postopek specifikacije zahteva kislinsko kemijo, koncentracijo, delovno temperaturo in zahtevano moč. Za objekte z oksidacijskimi kislinskimi kopelmi nad 90 stopinj ta-pristop, specifičen za uporabo, zagotavlja rešitev, kjer standardni grelniki morda ne.
