Otopljeni plin hlor (Cl₂) u vodi-često u sistemima za dezinfekciju, bazenima i komunalnim tretmanima vode-je jak oksidant koji vremenom napada PFA površine. Za razliku od otopina hipohlorita (izbjeljivača) koji uzrokuju brzu degradaciju, otopljeni plinoviti klor u tipičnim koncentracijama (1-10 ppm) uzrokuje postupnu modifikaciju površine. Nakon 1000 sati kontinuiranog izlaganja na 40 stepeni (tipična temperatura bazena) sa 5 ppm rastvorenog Cl₂, površinska tvrdoća PFA se povećava za 5–10 Shore D jedinica (sa 65–68 na 70–75). Površina postaje lomljivija, a istezanje pri prekidu se smanjuje sa 300% na 150-200%. Povećanje tvrdoće je ograničeno na vanjski sloj od 50–150 µm; rasuti materijal ostaje nepromijenjen. Na višim temperaturama (60-80 stepeni) ili višim koncentracijama hlora (20-50 ppm), efekat se ubrzava, a površinsko pucanje se može pojaviti u roku od 500 sati.
Mehanizam napada klorom na PFA
Otopljeni plinoviti hlor hidrolizira u vodi dajući hipohlornu kiselinu (HOCl) i hlorovodoničnu kiselinu (HCl): Cl₂ + H2O → HOCl + HCl. I HOCl i HCl su agresivni. HOCl je jak oksidant koji apstrahuje atome vodonika sa krajeva PFA lanca (iako PFA ima vrlo malo vodonika, postoje neke zaostale krajnje grupe -CF₂H). Reakcija zamjenjuje fluor kisikom, stvarajući karbonil fluorid (-COF) i karboksil (-COOH) grupe. Ove polarne grupe povećavaju površinsku energiju (sa 18-20 mN/m na 25-35 mN/m), što paradoksalno smanjuje ugao kontakta s vodom i može poboljšati kvašenje. Što je još važnije, oksidirani površinski sloj postaje poprečno-povezan i stvrdnut. Povećanje tvrdoće korelira s povećanjem kristalnosti u površinskom sloju (sa 45% na 55-60%) jer se amorfne regije prvenstveno napadaju i reorganiziraju.
Reakcija zavisi od -temperature. Na 25 stepeni, povećanje tvrdoće nakon 1000 sati pri 5 ppm Cl₂ je 2-4 Shore D jedinice. Na 40 stepeni je 5-10 jedinica. Na 60 stepeni iznosi 10-15 jedinica i pojavljuju se površinske mikropukotine. Na 80 stepeni, PFA u vodi sa 5 ppm hlora pokvari se u roku od 200-500 sati zbog jakog pucanja površine i krtosti. Iz tog razloga, PFA grijači u sistemima za dezinfekciju hlorom treba da rade ispod 50 stepeni.
Promjena površinske tvrdoće nakon 1000 sati
| Koncentracija hlora (ppm) | Temperatura (stepen) | Početna tvrdoća (Shore D) | Tvrdoća nakon 1000 sati (Shore D) | Povećanje (Shore D) | Surface Condition | Izduženje pri prekidu zadržavanje (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 (kontrola) | 40 | 66 | 66 | 0 | Glatka, sjajna | 100% |
| 1 | 40 | 66 | 68–69 | 2–3 | Lagano zatamnjenje | 90–95% |
| 5 | 40 | 66 | 70–73 | 4–7 | Tupo, pomalo grubo | 70–80% |
| 10 | 40 | 66 | 72–75 | 6–9 | Tupa, vidljiva mikro{0}}hrapavost | 60–70% |
| 5 | 25 | 66 | 68–70 | 2–4 | Lagano zatamnjenje | 85–90% |
| 5 | 50 | 66 | 72–76 | 6–10 | Tupo, fino ludilo | 65–75% |
| 5 | 60 | 66 | 75–80 | 9–14 | Mikropukotine vidljive na 10× | 40–60% |
| 5 | 80 | 66 | N/A (nije uspjelo) | N/A | Površinsko pucanje, krtost | <20% |
| 20 | 40 | 66 | 74–78 | 8–12 | Lud, bijeli površinski sloj | 50–65% |
| 50 | 40 | 66 | 78–82 | 12–16 | Pucanje, površinsko praškanje | 30–50% |
Praktične implikacije za rad grijača
Za grijače za bazene (25–30 stepeni, 1–5 ppm Cl₂), povećanje tvrdoće nakon 1000 sati je neznatno (2–5 Shore D). Grijač ostaje funkcionalan, a krhkost površine ne uzrokuje pucanje pri normalnom termičkom ciklusu (ΔT=10–20 stepeni). Očekivani životni vek je 5-10 godina. Za komunalne sisteme za dezinfekciju vode gde temperature dostižu 40-50 stepeni, povećanje tvrdoće postaje značajno (5-10 Shore D). Površina grijača postaje dosadna i manje fleksibilna. Termički ciklus (svakodnevno uključivanje/isključivanje) može uzrokovati fine površinske pukotine nakon 2-3 godine. Preporučuje se zamjena nakon 3-5 godina.
Za industrijsku dezinfekciju hlorom na povišenim temperaturama (50-80 stepeni), PFA se ne preporučuje bez obzira na koncentraciju. Kombinacija hlora i visoke temperature uzrokuje brzu degradaciju površine, pucanje i eventualno prodiranje u metalno jezgro. Alternativni materijali za visoko-temperaturnu upotrebu hlora su titanijum (pasivira u hlornoj vodi) ili ECTFE (Halar), koji ima bolju otpornost na hlor od PFA.
Ispitivanje površinske tvrdoće za procjenu stanja
Za PFA grijače u hloru, godišnje ispitivanje površinske tvrdoće predviđa preostali vijek trajanja. Koristite prijenosni Shore D durometar (ASTM D2240). Mjerite na tri lokacije (dno, sredina, vrh) na potopljenom dijelu. Povećanje tvrdoće za 5-10 jedinica iznad originalne vrijednosti (66-68) ukazuje na umjerenu degradaciju; grijaču vjerovatno preostale 2-3 godine. Povećanje tvrdoće od 10-15 jedinica ukazuje na ozbiljnu degradaciju; preporučuje se zamjena u roku od 12 mjeseci. Povećanje tvrdoće iznad 15 jedinica ili bilo koja vidljiva površinska pukotina zahtijeva hitnu zamjenu. Korelacija između povećanja tvrdoće i preostalog vijeka trajanja je empirijska, ali pouzdana za PFA oštećenu klorom{17}}.
Za grijače koji već pokazuju povećanje tvrdoće, smanjite radnu temperaturu ako je moguće. Svakih 5 stepeni smanjenja prepolovite stopu degradacije (Arrhenius ponašanje). Za grejač koji radi na 50 stepeni sa povećanjem tvrdoće za 10 jedinica, pad na 40 stepeni produžava preostali životni vek sa 2 godine na 4 godine.
Zaključak: povećanje tvrdoće za 5-10 jedinica nakon 1000 sati na 40 stepeni /5ppm Cl₂
Nakon 1000 sati izlaganja rastvorenom gasovitom hloru (5 ppm) u vodi na 40 stepeni, površinska tvrdoća PFA grejača se povećava za 5–10 Shore D jedinica (sa 66–68 na 70–75). Površina postaje krhka, a istezanje pri lomu opada sa 300% na 70-80%. Degradacija je ograničena na vanjski sloj od 50–150 µm i ne uzrokuje odmah kvar, ali smanjuje otpornost grijača na termičke cikluse i mehaničko naprezanje. Za tipičnu dezinfekciju bazenske i komunalne vode (25–40 stepeni, 1–5 ppm), PFA grijači imaju prihvatljiv vijek trajanja od 5–10 godina. Za industrijske primene iznad 50 stepeni, PFA se ne preporučuje. Godišnje Shore D testiranje tvrdoće pruža jednostavnu, ne{27}}destruktivnu metodu za procjenu degradacije i predviđanje vremena zamjene. Povećanje tvrdoće preko 15 jedinica ili bilo koja vidljiva površinska pukotina zahtijeva hitnu zamjenu grijača. Pratite tvrdoću, kontrolirajte temperaturu i zamijenite prije kvara. Hlor i visoka temperatura su neprijatelji PFA; upravljajte oba, i vaš grijač će trajati.
