Struktura materiału i odporność chemiczna
Odporność chemiczna materiałów fluoropolimerowych różni się w zależności od ich struktury molekularnej. PTFE, główny materiał płyt grzewczych, ma w pełni fluorowaną strukturę, która zapewnia doskonałą odporność na ataki chemiczne. PVDF, chociaż jest fluoropolimerem, ma częściowo fluorowaną strukturę z obecnymi atomami wodoru. W pełni fluorowana struktura PTFE zapewnia doskonałą odporność na agresywny atak chemiczny.
Zakład PCB stosujący mieszane-roztwory do trawienia kwasowego udokumentował badania stabilności materiału. Próbki PTFE nie wykazały mierzalnej utraty masy ani degradacji powierzchni po 12 miesiącach ekspozycji. Próbki PVDF wykazały utratę masy od 1,5 do 2,5 procent i degradację powierzchni, w tym odbarwienie i mikro-pęknięcia. Stabilność materiału PTFE była znacznie lepsza w mieszanym-środowisku kwasowym.
| Parametr ekspozycji | PTFE (płyta grzewcza) | PVDF | Różnica |
|---|---|---|---|
| Utrata masy ciała po 12 miesiącach | <0.1% | 1.5-2.5% | Lepszy PTFE |
| Degradacja powierzchni | Nic | Odbarwienia, mikro-pęknięcia | Lepszy PTFE |
| Utrzymanie wytrzymałości na rozciąganie | 98-100% | 85-90% | Lepszy PTFE |
| Zachowanie wydłużenia | 95-100% | 80-85% | Lepszy PTFE |
| Właściwości termiczne | Niezmienione | Niewielka degradacja | Lepszy PTFE |
Mechanizmy ataku chemicznego w mieszanych kwasach
Mieszane-roztwory trawiące zawierające kwasy zawierają kombinacje kwasów mineralnych, które tworzą synergiczne mechanizmy ataku. Kwasy mogą obejmować kwas siarkowy, azotowy, solny i fluorowodorowy w różnych kombinacjach. Utleniający charakter niektórych składników, szczególnie kwasu azotowego, przyspiesza degradację materiałów częściowo fluorowanych, takich jak PVDF.
W laboratorium półprzewodników wyposażonym w mieszane-kwasowe kąpiele trawiące przeanalizowano mechanizmy degradacji obu materiałów. Materiał PVDF wykazywał rozerwanie łańcucha przy wiązaniach węgiel-wodorowych, co prowadziło do zmniejszenia masy cząsteczkowej i degradacji powierzchni. Materiał PTFE nie wykazywał takiej degradacji ze względu na swoją w pełni fluorowaną strukturę. Mechanizm ataku chemicznego był specyficzny dla materiału PVDF.
Wpływ temperatury na stabilność materiału
Podwyższona temperatura robocza wynosząca 75 stopni przyspiesza atak chemiczny na oba materiały, ale wpływa na nie w różny sposób. Szybkość degradacji PVDF znacznie wzrasta wraz z temperaturą, przy czym szybkość degradacji w przybliżeniu podwaja się na każde 10 stopni wzrostu powyżej 50 stopni. Szybkość degradacji PTFE jest znacznie niższa i wzrasta jedynie nieznacznie wraz ze wzrostem temperatury.
Twardy chrom z trawieniem mieszanym-kwasowym, udokumentowany wpływ temperatury na stabilność materiału. Wytrzymałość na rozciąganie PVDF spadła o 25 procent po 6 miesiącach w temperaturze 75 stopni, w porównaniu do 10-procentowego spadku w temperaturze 60 stopni. PTFE nie wykazywał spadku wytrzymałości na rozciąganie w żadnej temperaturze. Stabilność materiału PTFE w podwyższonej temperaturze była doskonała.
Pęcznienie i zmiany wymiarowe PVDF
PVDF pochłania agresywne chemikalia, powodując zmiany wymiarowe, które wpływają na wydajność sprzętu. Pęcznienie może powodować rozszerzanie się materiału, powodując naprężenie elementu grzejnego. Pęcznienie jest bardziej znaczące w wyższych temperaturach i przy użyciu bardziej agresywnych środków chemicznych. PTFE wykazuje minimalne zmiany absorpcji i wymiarów w środowisku mieszanym-kwasowym.
Zakład PCB, w którym wytrawiano-kwasy, udokumentował charakterystykę pęcznienia PVDF. Próbki PVDF wykazywały zmiany wymiarowe od 2 do 4 procent po wystawieniu na działanie mieszanego-roztworu kwasu w temperaturze 75 stopni. Obrzęk był najbardziej znaczący w ciągu pierwszych 100 godzin ekspozycji, a następnie ustabilizował się. Próbki PTFE wykazały zmiany wymiarowe mniejsze niż 0,5 procent. Stabilność wymiarowa PTFE była doskonała.
| Tworzywo | Obrzęk w temperaturze 75 stopni | Zmiana wymiarowa | Wpływ na wydajność |
|---|---|---|---|
| PTFE (płyta grzewcza) | <0.5% | Nieistotny | Brak efektu |
| PVDF (standard) | 2-4% | Istotne | Może mieć wpływ na dopasowanie i szczelność |
| PVDF (wysoka-gatunek) | 1-3% | Umiarkowany | Może mieć wpływ na wydajność |
| PVDF (zmodyfikowany) | 1-2% | Umiarkowany | Zmniejszony efekt |
Penetracja i przenikanie chemiczne
Przenikanie substancji chemicznych przez materiał może mieć wpływ na ochronę elementu grzejnego. PVDF ma wyższą przepuszczalność niektórych substancji chemicznych niż PTFE, dzięki czemu agresywne składniki mogą przedostać się do elementu grzejnego. Przenikanie może spowodować korozję elementu grzejnego i ostateczną awarię. PTFE zapewnia doskonałą barierę ochronną przed przenikaniem substancji chemicznych.
W laboratorium zajmującym się półprzewodnikami za pomocą trawienia mieszanego-kwasowego zmierzono przenikanie substancji chemicznych przez oba materiały. PVDF wykazywał przenikanie kwasu azotowego z szybkością 3 do 5 razy większą niż PTFE. Przepuszczalność wzrasta wraz z temperaturą i czasem ekspozycji. PTFE nie wykazało wykrywalnego przenikania jakiegokolwiek składnika kwasowego przez 12 miesięcy ekspozycji.
Morfologia powierzchni i przyczepność osadów
Morfologia powierzchni obu materiałów wpływa na przyczepność osadów zanieczyszczeń. Powierzchnie PTFE są hydrofobowe i zapewniają minimalną ilość miejsc przyczepiania się osadów. Powierzchnie PVDF są bardziej hydrofilowe i mogą zapewniać więcej miejsc mocowania. Przyczepność osadu wpływa na wymagania dotyczące czyszczenia i wydajność wymiany ciepła.
Twardy chrom z trawieniem mieszanym-kwasowym udokumentował przyczepność osadu na obu materiałach. Osady na PTFE można łatwo usunąć za pomocą standardowych procedur czyszczenia. Osady na PVDF wymagały bardziej agresywnego czyszczenia i wykazywały większą przyczepność. Powierzchnia PTFE zapewnia lepszą odporność na przyleganie osadów.
