Keemiatehas kasutas peaaegu neli aastat PTFE sukelsoojendit 20% vesinikfluoriidhappe vannis temperatuuril 50 kraadi. Kütteseade töötas töökindlalt ja kui see lõpuks välja vahetati, oli rike mehaaniline-hooldusvea tõttu kahjustatud klemm-mitte keemiline. Sama tehas paigaldas identse küttekeha 25% naatriumhüdroksiidi vanni 95 kraadi juures. See ebaõnnestus viie kuuga. Keemia oli muutunud ühest äärmusest teise ja PTFE ei saanud mõlemaga hakkama.
PTFE-d kirjeldatakse sageli keemiliselt inertsena kogu pH vahemikus. See kirjeldus on enamiku tingimuste jaoks täpne, kuid laguneb äärmuslikel juhtudel-eriti kuumade kontsentreeritud söövitavate lahuste puhul. Selleks, et mõista, miks PTFE talub HF-i, kuid ei tööta kuumas söövis, tuleb uurida polümeeri keemiat ja mehhanisme, mille abil erinevad keemilised liigid seda ründavad.
Miks PTFE talub vesinikfluoriidhapet
Vesinikfluoriidhape on tööstuslikus kasutuses üks agressiivsemaid kemikaale. See ründab klaasi, kvartsi ja enamikku metalle. See tungib läbi naha ja kahjustab luud. Kuid PTFE saab sellega hõlpsalt hakkama.
Põhjuseks on süsinik{0}}fluori side. PTFE on süsinikuaatomite ahel, mis on täielikult ümbritsetud fluori aatomitega. Süsinik-fluori side on orgaanilise keemia tugevaim üksikside, sideme energiaga ligikaudu 485 kJ/mol. HF ei oma energiat ega keemilist mehhanismi selle sideme katkestamiseks.
HF ei lahusta ega paisu ka PTFE-d. Polümeerahelad on tihedalt pakitud ja fluori aatomid kaitsevad süsiniku karkassi rünnakute eest. HF-molekulid võivad aja jooksul läbi polümeeri imbuda, kuid nad ei reageeri sellega. Läbilaskvus on aeglane ja sõltub temperatuurist, kuid polümeer ise jääb puutumatuks.
Miks kuumad kontsentreeritud söövitavad rünnakud PTFE-le?
Naatriumhüdroksiid ja teised tugevad alused ründavad PTFE-d erineva mehhanismi kaudu. Kõrgetel kontsentratsioonidel ja kõrgetel temperatuuridel võivad hüdroksiidioonid polümeeri pinna defluoriseerida. Reaktsioon eemaldab süsinikuahelast fluori aatomid, luues küllastumata sidemeid ja reaktiivseid kohti, mis on edasiste rünnakute suhtes haavatavad.
Reaktsioon on mõõdukal temperatuuril aeglane. 60 kraadi ja 10% NaOH juures on rünnak tühine. 95 kraadi ja 25% NaOH juures muutub defluorimise kiirus mõõdetavaks. Polümeeri pind muutub värvituks, karedaks ja lõpuks praguneb. Lagunemine piirdub algul pinnaga, kuid aja jooksul tungib see sügavamale.
| Sööbiv kontsentratsioon | Temperatuur | Rünnakute määr | Aeg nähtavate kahjustusteni | PTFE sobivus |
|---|---|---|---|---|
| 5% NaOH | 60 kraadi | Väheoluline | >5 aastat | Suurepärane |
| 10% NaOH | 80 kraadi | Madal | 2-4 aastat | Hea |
| 20% NaOH | 90 kraadi | Mõõdukas | 6-18 kuud | Marginaalne |
| 25% NaOH | 95 kraadi | Kõrge | 3-8 kuud | Ei soovita |
| 30% NaOH | 100 kraadi + | Väga kõrge | 1-4 kuud | Ei sobi |
PTFE söövitamise määr kontsentratsiooni ja temperatuuri funktsioonina
Läbilaskvuse erinevus
HF ja söövitav aine erinevad ka selle poolest, kuidas nad läbivad PTFE. HF molekulid on väikesed ja polaarsed ning difundeeruvad läbi polümeeri mõõduka kiirusega. Läbi ümbrise jõuavad need MgO isolatsioonini ja vähendavad isolatsioonitakistust. Polümeer ise jääb puutumatuks.
Söövitavad lahused sisaldavad hüdroksiidioone ja vett. Hüdroksiidiioonid on suuremad ja vähem liikuvad kui HF, kuid nad reageerivad läbitungimisel polümeeri pinnaga. Reaktsioon loob lagunenud kihi, mis on algsest PTFE-st paremini läbilaskev, kiirendades edasist sissetungimist. Läbilaskvuse ja pinnale tungimise kombinatsioon muudab söövitava aine samaväärsetel temperatuuridel kahjulikumaks kui HF.
Miks on temperatuur olulisem kui kontsentratsioon
Sööbiva aine rünnak PTFE-le aktiveeritakse termiliselt. Iga 10 kraadine temperatuuri tõus kahekordistab reaktsioonikiirust ligikaudu kaks korda. 95-kraadine vann on ligikaudu neli korda agressiivsem kui 75-kraadine vann ja kaheksa korda agressiivsem kui 65-kraadine vann.
Seetõttu võib PTFE-kütteseade, mis kestab aastaid 20% NaOH-s temperatuuril 60 kraadi, 20% NaOH-s 95-kraadises kuumuses kuude jooksul ebaõnnestuda. Kontsentratsioon on oluline, kuid temperatuur on domineeriv muutuja.
Katte temperatuur on veelgi olulisem kui kogumistemperatuur. Küttekeha, mis töötab 95-kraadise mahuga ja ümbrise temperatuur on 110–120 kraadi, avaldab polümeerile kaks kuni neli korda suuremat rünnakukiirust, kui puistetemperatuur eeldab. Watt-tiheduse vähendamine ümbrise temperatuuri alandamiseks on kõige tõhusam viis kuuma söövitava tööea pikendamiseks.
Praktilised juhised söövitava aine kasutamiseks
PTFE sobib söövitamiseks mõõdukatel temperatuuridel. Vannide puhul, mille temperatuur on alla 70 kraadi ja kontsentratsioonid alla 15%, toimib PTFE sukelsoojendi hästi ja tagab pika kasutusea. Vannide puhul, mille temperatuur on üle 80 kraadi või kontsentratsioon üle 20%, lüheneb kasutusiga ja tuleks kaaluda alternatiivseid materjale.
Kuuma kontsentreeritud söövitava aine jaoks võib roostevaba teras 316L või titaan olla sobivam kui PTFE, eeldusel, et vann ei sisalda kloriide, mis võivad tekitada täppide moodustumist. Kloriidi -sisaldava söövitava materjali valikud kitsenevad veelgi ja võib osutuda vajalikuks spetsiaalne sulam.
| Teeninduse seisukord | Soovitatav materjal | PTFE sobivus | Märkmed |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Suurepärane | Pikk kasutusiga |
| 10–15% NaOH, 60–75 kraadi | PTFE | Hea | Jälgige ümbrise seisukorda |
| 15–20% NaOH, 75–85 kraadi | PTFE või titaan | Marginaalne | Kaaluge alternatiivi |
| 20–25% NaOH, 85–95 kraadi | Titaan või 316L | Ei soovita | PTFE laguneb |
| >25% NaOH, >95 kraadi | Spetsiaalne sulam | Ei sobi | Konsulteerige materjalispetsialistiga |
Materjalisoovitused söövitamiseks erinevatel kontsentratsioonidel ja temperatuuridel
Kui PTFE on õige valik
PTFE on õige valik söövitamiseks mõõdukatel temperatuuridel, vannides, kus keemia on vaheldumisi happeline ja aluseline, ja rakendustes, kus esineb HF või segatud happeid. Selle lai kemikaalikindlus muudab selle kõige turvalisemaks valikuks, kui keemia on ebakindel või muutlik.
Kuumas kontsentreeritud leelises saavutab PTFE oma piirid. Polümeer laguneb, ümbris ebaõnnestub ja kütteseade tuleb välja vahetada. Kohandatud PTFE-sukelsoojendi konfiguratsioon väiksema vattiheduse, paksema kesta ja parema juurdepääsuga vooluhulka võib pikendada kasutusiga marginaalsetes söövitavates tingimustes, kuid see ei suuda ületada põhilist kokkusobimatust söövitava spektri äärmises otsas. Spetsifikatsiooniprotsess nõuab vanni keemiat, kontsentratsiooni, temperatuuri ja eelmiste kütteseadmete rikete ajalugu.
