Zakład chemiczny używał grzałki zanurzeniowej PTFE w kąpieli z 20% kwasem fluorowodorowym w temperaturze 50 stopni przez prawie cztery lata. Nagrzewnica działała niezawodnie, a kiedy ją ostatecznie wymieniono, usterka miała charakter mechaniczny-uszkodzony terminal w wyniku błędu konserwacyjnego-a nie chemicznego. W tym samym zakładzie zainstalowano identyczny grzejnik w kąpieli z 25% wodorotlenkiem sodu o temperaturze 95 stopni. Nie udało się w ciągu pięciu miesięcy. Chemia zmieniła się z jednej skrajności w drugą, a PTFE nie był w stanie poradzić sobie z obydwoma.
PTFE jest często opisywany jako chemicznie obojętny w całym zakresie pH. Opis ten jest dokładny w większości warunków, ale zawodzi w skrajnych przypadkach,-szczególnie w przypadku gorących, stężonych roztworów żrących. Zrozumienie, dlaczego PTFE jest odporny na HF, ale nie radzi sobie z gorącą żrą, wymaga przyjrzenia się składowi chemicznemu polimeru i mechanizmom, za pomocą których atakują go różne związki chemiczne.
Dlaczego PTFE jest odporny na kwas fluorowodorowy
Kwas fluorowodorowy jest jedną z najbardziej agresywnych substancji chemicznych stosowanych w przemyśle. Atakuje szkło, kwarc i większość metali. Wnika w skórę i uszkadza kości. Jednak PTFE radzi sobie z tym z łatwością.
Powodem jest wiązanie węgiel-fluor. PTFE to łańcuch atomów węgla całkowicie otoczony atomami fluoru. Wiązanie węgiel-fluor jest najsilniejszym wiązaniem pojedynczym w chemii organicznej, o energii wiązania około 485 kJ/mol. HF nie ma energii ani mechanizmu chemicznego, aby rozerwać to wiązanie.
HF również nie rozpuszcza ani nie pęcznieje PTFE. Łańcuchy polimerowe są ciasno upakowane, a atomy fluoru chronią szkielet węglowy przed atakiem. Cząsteczki HF mogą z czasem przenikać przez polimer, ale nie reagują z nim. Szybkość przenikania jest powolna i zależy- od temperatury, ale sam polimer pozostaje nienaruszony.
Dlaczego gorący skoncentrowany środek żrący atakuje PTFE
Wodorotlenek sodu i inne mocne zasady atakują PTFE w inny sposób. W wysokich stężeniach i podwyższonych temperaturach jony wodorotlenkowe mogą odfluorować powierzchnię polimeru. W wyniku reakcji atomy fluoru są usuwane z łańcucha węglowego, tworząc nienasycone wiązania i miejsca reaktywne, które są podatne na dalszy atak.
Reakcja jest powolna w umiarkowanych temperaturach. Przy 60 stopniach i 10% NaOH atak jest znikomy. Przy temperaturze 95 stopni i 25% NaOH stopień odfluorowania staje się mierzalny. Powierzchnia polimeru staje się odbarwiona, szorstka i ostatecznie pęka. Na początku degradacja ogranicza się do powierzchni, ale z czasem wnika głębiej.
| Stężenie żrące | Temperatura | Współczynnik ataku | Czas na widoczne uszkodzenia | Przydatność PTFE |
|---|---|---|---|---|
| 5% NaOH | 60 stopni | Nieistotny | >5 lat | Doskonały |
| 10% NaOH | 80 stopni | Niski | 2–4 lata | Dobry |
| 20% NaOH | 90 stopni | Umiarkowany | 6–18 miesięcy | Marginalny |
| 25% NaOH | 95 stopni | Wysoki | 3–8 miesięcy | Niezalecane |
| 30% NaOH | 100 stopni + | Bardzo wysoki | 1–4 miesiące | Nie nadaje się |
Szybkość ataku żrącego na PTFE w funkcji stężenia i temperatury
Różnica przenikania
HF i żrący różnią się także sposobem przenikania PTFE. Cząsteczki HF są małe i polarne i dyfundują przez polimer z umiarkowaną szybkością. Po przejściu przez osłonę docierają do izolacji MgO i zmniejszają rezystancję izolacji. Sam polimer pozostaje nienaruszony.
Roztwory żrące zawierają jony wodorotlenkowe i wodę. Jony wodorotlenkowe są większe i mniej ruchliwe niż HF, ale podczas przenikania reagują z powierzchnią polimeru. W wyniku reakcji powstaje zdegradowana warstwa, która jest bardziej przepuszczalna niż oryginalny PTFE, przyspieszając dalsze wnikanie. Połączenie przenikania i ataku powierzchniowego sprawia, że żrący jest bardziej szkodliwy niż HF w równoważnych temperaturach.
Dlaczego temperatura ma większe znaczenie niż stężenie
Atak środka żrącego na PTFE jest aktywowany termicznie. Wzrost temperatury o 10 stopni w przybliżeniu podwaja szybkość reakcji. Kąpiel w temperaturze 95 stopni jest mniej więcej cztery razy bardziej agresywna niż kąpiel w temperaturze 75 stopni i osiem razy bardziej agresywna niż kąpiel w temperaturze 65 stopni.
Z tego powodu grzejnik PTFE, który wytrzymuje lata w 20% NaOH w temperaturze 60 stopni, może zawieść w ciągu kilku miesięcy w 20% NaOH w temperaturze 95 stopni. Stężenie ma znaczenie, ale dominującą zmienną jest temperatura.
Temperatura powłoki jest jeszcze ważniejsza niż temperatura masy. Grzejnik pracujący przy temperaturze objętościowej 95 stopni i temperaturze powłoki wynoszącej 110–120 stopni naraża polimer na współczynnik ataku od dwóch do czterech razy wyższy niż sugeruje temperatura masy. Zmniejszenie gęstości watów w celu obniżenia temperatury płaszcza jest najskuteczniejszym sposobem przedłużenia żywotności gorącej substancji żrącej.
Praktyczne wytyczne dotyczące obsługi żrącej
PTFE nadaje się do zastosowań żrących w umiarkowanych temperaturach. W przypadku kąpieli o temperaturze poniżej 70 stopni i stężeniach poniżej 15% grzałka zanurzeniowa z PTFE działa dobrze i zapewnia długą żywotność. W przypadku kąpieli o temperaturze powyżej 80 stopni lub stężeniach powyżej 20% żywotność ulega skróceniu i należy rozważyć alternatywne materiały.
W przypadku gorącego stężonego ługu bardziej odpowiednia może być stal nierdzewna 316L lub tytan niż PTFE, pod warunkiem, że kąpiel nie zawiera chlorków, które mogłyby powodować wżery. W przypadku zasad-zawierających chlorki opcje materiałów są jeszcze bardziej zawężone i może być wymagany specjalistyczny stop.
| Stan usługi | Polecany materiał | Przydatność PTFE | Notatki |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Doskonały | Długa żywotność |
| 10–15% NaOH, 60–75 stopni | PTFE | Dobry | Monitoruj stan osłony |
| 15–20% NaOH, 75–85 stopni | PTFE lub tytan | Marginalny | Rozważ alternatywę |
| 20–25% NaOH, 85–95 stopni | Tytan lub 316L | Niezalecane | PTFE ulega degradacji |
| >25% NaOH, >95 stopni | Specjalistyczny stop | Nie nadaje się | Skonsultuj się ze specjalistą ds. materiałów |
Zalecenia materiałowe dla zastosowań żrących w różnych stężeniach i temperaturach
Kiedy PTFE jest właściwym wyborem
PTFE jest właściwym wyborem do stosowania w środowisku żrącym w umiarkowanych temperaturach, do kąpieli, w których skład chemiczny zmienia się z kwasu na zasadowy, oraz do zastosowań, w których występuje HF lub kwasy mieszane. Jego szeroka odporność chemiczna sprawia, że jest to najbezpieczniejszy wybór, gdy skład chemiczny jest niepewny lub zmienny.
W gorącym stężonym ługu PTFE osiąga swoje granice. Polimer ulega degradacji, osłona ulega uszkodzeniu i należy wymienić grzejnik. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o niższej gęstości mocy, grubszej osłonie i lepszym dostępie do przepływu może wydłużyć żywotność w marginalnych warunkach żrących, ale nie może przezwyciężyć podstawowej niezgodności na skrajnym końcu spektrum kaustycznego. Proces specyfikacji wymaga składu chemicznego kąpieli, stężenia, temperatury i historii awarii poprzednich grzejników.
