Hapnikuga{0}}rikastatud auru seisund
Tööstuslikud aurusüsteemid sisaldavad tavaliselt lahustunud hapnikku osades -miljardi kohta-, mida juhitakse mehaanilise õhutustamise ja keemilise hapniku eemaldamise abil. Kui õhutusseadmete talitlushäired või hapnikupüüduri etteandmine katkeb, võib lahustunud hapnik tõusta osade -pro- miljonini. Mõnes spetsialiseeritud protsessis lisatakse hapnikku tahtlikult aurule puhastamise või passiveerimise eesmärgil.
See hapnik loob kõrgendatud aurutemperatuuril-130–200 kraadi sõltuvalt rõhust oksüdatiivse keskkonna. Inertses atmosfääris termiliselt stabiilsed polümeerid võivad hapniku juuresolekul läbida oksüdatiivset lagunemist. Lagunemise algustemperatuur ja sellest kõrgemal temperatuuril lagunemise kiirus sõltuvad polümeeri molekulaarstruktuurist.
PTFE ja FEP on mõlemad perfluoritud polümeerid ja neil on suurepärane keemiline vastupidavus. Nende reaktsioon kõrgendatud temperatuurile hapniku juuresolekul erineb aga ahela arhitektuuri ja kristallilisuse erinevuste tõttu. Selle erinevuse mõistmine on oluline soojusvaheti rakenduste jaoks, kus auru kvaliteedikontroll on ebatäiuslik.
Oksüdatsioonikeemia erinevus
PTFE koosneb kordusühikutest -CF₂-CF₂-. Polümeeriahel on täielikult fluoriga küllastunud. Puuduvad C-H-, C-Cl-sidemed ega küllastumatus. C-F sideme dissotsiatsioonienergia on ligikaudu 485 kJ/mol. Süsiniku karkass on täielikult varjestatud fluori aatomitega, mis moodustavad ahela ümber tiheda spiraalse ümbrise.
Hapniku juuresolekul kõrgel temperatuuril toimub PTFE oksüdatiivne lagunemine ainult temperatuuril, kus C-C põhisidemed hakkavad-üle 300 kraadi õhus purunema. Oksüdatsiooniproduktid on karbonüülfluoriid (COF₂) ja trifluoroatsetüülfluoriid (CF3COF), mis hüdrolüüsivad HF-ks ja CO₂-ks. Alla 260 kraadi on see määr praktiliste seadmete eluea jaoks tühine.
FEP on tetrafluoroetüleeni ja heksafluoropropüleeni kopolümeer. HFP komonomeer sisaldab -CF(CF₃)-CF₂- ühikuid, mis loovad tertsiaarsed süsiniku saidid, kus süsinik on seotud kolme teise süsiniku ja ühe CF3 kõrvalrühmaga. Need tertsiaarsed süsiniku saidid on termilise ja oksüdatiivse rünnaku suhtes tundlikumad kui PTFE ahela sekundaarsed süsinikud. C-C sideme hargnemispunktis on veidi madalama sideme dissotsiatsioonienergiaga. Ebakorrapärane ahela struktuur vähendab ka kristallilisust, suurendades hapniku läbitungimist amorfsetesse piirkondadesse.
| Termilise lagunemise parameeter | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Keti struktuur | Lineaarne -CF₂-CF₂- | Hargnenud -CF(CF₃)-CF₂- ühikutega |
| Kristallilisus (%) | 50-70 | 30-45 |
| Mõõdetava kaalukaotuse algus õhus ( kraad ) | ~350 | ~300 |
| Pidev töötemperatuur õhus ( kraadi ) | 260 | 204 |
| Lagunemiskiirus aurus 1 ppm O₂ 200 kraadi juures (% massikadu/1000 h) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Lagunemiskiirus aurus 10 ppm O₂ 200 kraadi juures (% massikadu/1000 h) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktiline kasutusiga hapnikuga{0}}rikastatud aurus 180 kraadi juures (aastaid) | 15+ | 5-10 |
Amorfse faasi haavatavus
FEP-i madalam kristallilisus tähendab, et suurem osa polümeerist eksisteerib amorfse faasi{0}}häiretega ahelatena, millel on suurem vaba maht. Hapnik tungib kergemini läbi amorfsete piirkondade. Polümeeri kõrgema hapnikukontsentratsiooni ja reaktiivsemate tertsiaarsete süsinikukohtade kombinatsioon annab mõõdetavalt kiirema oksüdatiivse lagunemise kiiruse.
Aurus normaalse lahustunud hapnikuga (<10 ppb), the oxygen concentration is too low to cause measurable degradation of either polymer. The difference between PTFE and FEP is irrelevant. In oxygen-enriched steam-from a deaerator malfunction, chemical cleaning with oxygenated water, or intentional oxygen addition-the difference becomes significant.
200 kraadi juures 10 ppm lahustunud hapnikuga kaotab FEP 0,2-0,5% oma massist 1000 tunni kohta ahela oksüdatiivse katkemise ja lenduvate saaduste eraldumise tõttu. Üle 10 000 töötunnise tööaasta tähendab see 2–5% massikadu. PTFE kaotab identsetes tingimustes vähem kui 0,02% 1000 tunni kohta – 10–25 korda aeglasem lagunemiskiirus.
Disaini mõju
Usaldusväärse õhutustamise ja hapniku eemaldamisega aurusüsteemide puhul on -hästi töötavates tööstusettevõtetes-normiks-nii PTFE kui ka FEP piisav kasutusiga. FEP-i madalam hind ja keevitatavus võivad seda nendes rakendustes soodustada.
Teadaolevate hapniku eraldusvõimega aurusüsteemide jaoks, protsesside jaoks, kus aurus on tahtlikult hapnikku, või rakenduste jaoks, kus auru kvaliteeti ei kontrollita rangelt, muudab PTFE suurepärane oksüdatiivne stabiilsus selle madalama-riskiga valikuks. PTFE temperatuuripiirangut hapnikuga-rikastatud auru puhul saab hoida 260 kraadi juures; FEP praktilist piiri tuleks vähendada ligikaudu 180 kraadini.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvaheti torudel on oluliselt parem vastupidavus oksüdatiivsele termilisele lagunemisele kui hapnikuga rikastatud auru FEP-l, kuna puuduvad tertsiaarsed süsinikukohad, süsiniku karkassi tugevam varjestus fluori ümbrise poolt ja suurem kristallilisus, mis vähendab hapniku läbilaskvust. Tavalises vähese lahustunud hapnikuga auru puhul toimivad mõlemad polümeerid piisavalt. Hapnikuga -rikastatud aurus laguneb PTFE 10–25 korda aeglasemalt kui FEP ja säilitab oma täistemperatuuri, samas kui FEP praktilist temperatuuripiirangut tuleks vähendada.
Tehniline tugi fluoropolümeermaterjalide valimiseks konkreetsetes aurukvaliteedi tingimustes on saadaval aururõhu, lahustunud hapniku kontsentratsiooni (normaalne ja ekskursiivne) ja seadme nõutava kasutusea esitamisel.
