Kemična tovarna je skoraj štiri leta uporabljala PTFE potopni grelnik v kopeli z 20 % fluorovodikove kisline pri 50 stopinjah. Grelec je deloval zanesljivo in ko je bil končno zamenjan, je bila okvara mehanska-poškodovan terminal zaradi napake pri vzdrževanju-in ne kemična. Isti obrat je namestil identičen grelec v kopel s 25% natrijevim hidroksidom pri 95 stopinjah. V petih mesecih ni uspelo. Kemija se je spremenila iz ene skrajnosti v drugo in PTFE ni mogel prenesti obeh.
PTFE je pogosto opisan kot kemično inerten v celotnem območju pH. Ta opis je natančen za večino pogojev, vendar se pokvari pri skrajnih-še posebej vročih, koncentriranih jedkih raztopinah. Razumevanje, zakaj je PTFE odporen na HF, vendar ne uspe v vročem jedkem, zahteva preučevanje kemije polimera in mehanizmov, s katerimi ga različne kemične vrste napadajo.
Zakaj je PTFE odporen na fluorovodikovo kislino
Fluorovodikova kislina je ena najbolj agresivnih kemikalij v industrijski uporabi. Napada steklo, kremen in večino kovin. Prodira v kožo in poškoduje kosti. Kljub temu PTFE to z lahkoto obvlada.
Razlog je vez ogljik-fluor. PTFE je veriga ogljikovih atomov, v celoti obkrožena z atomi fluora. Vez ogljik-fluor je najmočnejša enojna vez v organski kemiji z energijo vezi približno 485 kJ/mol. HF nima energije ali kemičnega mehanizma, da bi prekinil to vez.
HF tudi ne raztopi ali nabrekne PTFE. Polimerne verige so tesno zapakirane in atomi fluora ščitijo ogljikovo ogrodje pred napadi. Molekule HF lahko sčasoma prodrejo skozi polimer, vendar z njim ne reagirajo. Hitrost prepustnosti je počasna in-odvisna od temperature, sam polimer pa ostane nedotaknjen.
Zakaj vroča koncentrirana jedka napada PTFE
Natrijev hidroksid in druge močne baze napadajo PTFE z drugačnim mehanizmom. Pri visokih koncentracijah in povišanih temperaturah lahko hidroksidni ioni defluorirajo površino polimera. Reakcija odstrani atome fluora iz ogljikove verige, kar ustvari nenasičene vezi in reaktivna mesta, ki so ranljiva za nadaljnje napade.
Pri zmernih temperaturah je reakcija počasna. Pri 60 stopinjah in 10 % NaOH je napad zanemarljiv. Pri 95 stopinjah in 25 % NaOH postane stopnja defluoriranja merljiva. Polimerna površina postane razbarvana, hrapava in sčasoma razpoka. Razgradnja je sprva omejena na površino, sčasoma pa prodre globlje.
| Jedka koncentracija | Temperatura | Stopnja napada | Čas do vidne škode | Primernost PTFE |
|---|---|---|---|---|
| 5 % NaOH | 60 stopinj | Zanemarljivo | >5 let | Odlično |
| 10 % NaOH | 80 stopinj | Nizka | 2–4 leta | Dobro |
| 20 % NaOH | 90 stopinj | Zmerno | 6–18 mesecev | Obrobni |
| 25% NaOH | 95 stopinj | visoko | 3–8 mesecev | Ni priporočljivo |
| 30 % NaOH | 100 stopinj + | Zelo visoko | 1–4 mesece | Ni primerno |
Stopnje jedkega napada na PTFE kot funkcija koncentracije in temperature
Razlika v prepustnosti
HF in kavstik se razlikujeta tudi po tem, kako prodreta v PTFE. Molekule HF so majhne in polarne ter z zmerno hitrostjo difundirajo skozi polimer. Ko pridejo skozi ovoj, dosežejo izolacijo MgO in zmanjšajo izolacijsko upornost. Sam polimer ostane nedotaknjen.
Jedke raztopine vsebujejo hidroksidne ione in vodo. Hidroksidni ioni so večji in manj mobilni kot HF, vendar reagirajo s površino polimera, ko prehajajo. Reakcija ustvari degradirano plast, ki je bolj prepustna kot originalni PTFE, kar pospeši nadaljnji vdor. Zaradi kombinacije prepustnosti in površinskega napada je jedka snov bolj škodljiva kot HF pri enakovrednih temperaturah.
Zakaj je temperatura pomembnejša od koncentracije
Napad kavstika na PTFE se termično aktivira. Vsako povišanje temperature za 10 stopinj približno podvoji hitrost reakcije. Kopel pri 95 stopinjah je približno štirikrat bolj agresivna od tiste pri 75 stopinjah in osemkrat bolj agresivna od kopeli pri 65 stopinjah.
To je razlog, zakaj lahko PTFE grelec, ki zdrži leta v 20 % NaOH pri 60 stopinjah, odpove v mesecih v 20 % NaOH pri 95 stopinjah. Koncentracija je pomembna, vendar je temperatura prevladujoča spremenljivka.
Temperatura plašča je še pomembnejša od temperature v razsutem stanju. Grelnik, ki deluje pri 95 stopinjah v razsutem stanju s temperaturo ovoja 110–120 stopinj, izpostavlja polimer stopnjam napada, 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 v vroči jedki.
Praktične smernice za kavstične storitve
PTFE je primeren za jedko uporabo pri zmernih temperaturah. Za kopeli pod 70 stopinj in koncentracije pod 15 % se PTFE potopni grelec dobro obnese in zagotavlja dolgo življenjsko dobo. Pri kopeli nad 80 stopinj ali koncentracijah nad 20 % se življenjska doba skrajša, zato je treba razmisliti o alternativnih materialih.
Za vročo koncentrirano jedko snov je lahko nerjaveče jeklo 316L ali titan bolj primerno kot PTFE, pod pogojem, da kopel ne vsebuje kloridov, ki bi povzročali luknjičasto kopel. Pri kavstiku, ki-vsebuje klorid, so možnosti materialov še zožene in morda bo potrebna posebna zlitina.
| Pogoj storitve | Priporočen material | Primernost PTFE | Opombe |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Odlično | Dolga življenjska doba |
| 10–15 % NaOH, 60–75 stopinj | PTFE | Dobro | Spremljajte stanje plašča |
| 15–20 % NaOH, 75–85 stopinj | PTFE ali titan | Obrobni | Razmislite o alternativi |
| 20–25 % NaOH, 85–95 stopinj | Titan ali 316L | Ni priporočljivo | PTFE se razgradi |
| >25% NaOH, >95 stopinj | Specializirana zlitina | Ni primerno | Posvetujte se s strokovnjakom za materiale |
Priporočila za materiale za jedko uporabo pri različnih koncentracijah in temperaturah
Ko je PTFE prava izbira
PTFE je prava izbira za jedko uporabo pri zmernih temperaturah, za kopeli, kjer se kemija spreminja med kislino in alkalno, in za aplikacije, kjer so prisotne HF ali mešane kisline. Zaradi njegove široke kemične odpornosti je najvarnejša izbira, ko je kemija negotova ali spremenljiva.
V vroči koncentrirani jedki PTFE doseže svoje meje. Polimer se razgradi, ovoj odpove in grelec je treba zamenjati. Konfiguracija PTFE potopnega grelnika po meri z nižjo gostoto vatov, debelejšim plaščem in izboljšanim dostopom do pretoka lahko podaljša življenjsko dobo v mejnih jedkih pogojih, vendar ne more premagati temeljne nezdružljivosti na skrajnem koncu jedkega spektra. Postopek specifikacije zahteva kemijo kopeli, koncentracijo, temperaturo in zgodovino napak prejšnjih grelnikov.
