Neočekivana krhka fraktura
PTFE se univerzalno promoviše kao hemijski inertan. Ova reputacija navodi neke inženjere da specificiraju PTFE izmjenjivače topline za primjene koje uključuju organske rastvarače bez provjere detaljnih podataka o kompatibilnosti. U većini slučajeva, ovo povjerenje je opravdano. Povremeno, to rezultira krhkim lomom cijevi što se čini da je u suprotnosti s reputacijom PTFE-ove hemijske otpornosti.
Kvar se ne događa hemijskim napadom u konvencionalnom smislu-rastvarač ne otapa niti korodira PTFE. Mehanizam je fizički: molekuli rastvarača apsorbiraju se u polimernu strukturu, mijenjajući njena mehanička svojstva. Plastificirana, natečena cijev postaje krhka u uvjetima u kojima neeksponirani PTFE ostaje duktilan.
Aplikacije koje su najčešće pogođene uključuju obnavljanje farmaceutskih rastvarača, specijalnu hemijsku sintezu i procese čišćenja pomoću miješanih organskih{0}}vodenih medija na povišenim temperaturama.
Mehanizam permeacije i plastifikacije
PTFE je propustljiv za male organske molekule. Struktura fluorougljika sadrži slobodnu zapreminu-mikroskopskih praznina između polimernih lanaca-kroz koje molekuli rastvarača mogu migrirati. Na povišenim temperaturama, brzina permeacije raste eksponencijalno.
Kada molekuli rastvarača zauzmu ove prostore slobodnog volumena, djeluju kao unutarnja maziva, razdvajajući polimerne lance i smanjujući međumolekularne sile. Ova plastifikacija omekšava PTFE, smanjujući njegovu vlačnu čvrstoću i modul elastičnosti. Efekat je reverzibilan ako se rastvarač ukloni. Međutim, dok je cijev izložena vrućem rastvaraču pod pritiskom, njena mehanička svojstva su privremeno degradirana.
Degradacija postaje kritična kada se kombinuje sa mehaničkim stresom. Unutrašnji pritisak pare stvara naprezanje obruča u zidu cevi. Toplotno širenje stvara aksijalno naprezanje. Cijev koja lako podnosi ova naprezanja u svom neplastificiranom stanju može pokvariti kada se plastificira apsorbiranim rastvaračem.
Tabela 1: Učinci organskog rastvarača na mehanička svojstva PTFE cijevi pri povišenoj temperaturi
| Solvent Type | Stopa apsorpcije na 100 stepeni | Utjecaj na vlačnu čvrstoću | Utjecaj na izduženje | Rizik od krhkog kvara |
|---|---|---|---|---|
| Alifatski ugljovodonici (heksan, heptan) | Visoko | Umjereno smanjenje (20-30%) | Povećanje (plastifikacija) | Nisko |
| Aromatični ugljovodonici (toluen, ksilen) | Vrlo visoko | Značajno smanjenje (30-50%) | Početno povećanje, a zatim smanjenje | Umjereno |
| Hlorirani rastvarači (metilen hlorid) | Vrlo visoko | Jako smanjenje (40-60%) | Oštro smanjenje (krhkost) | Visoko |
| Ketoni (aceton, MEK) | Umjereno | Umjereno smanjenje (15-25%) | Umjereno povećanje | Nisko |
| esteri (etil acetat) | Visoko | Značajno smanjenje (25-40%) | Umjereno smanjenje | Umjereno |
| dimetilformamid (DMF) | Vrlo visoko | Ozbiljno smanjenje | Teška krhkost | Vrlo visoko |
| dimetil sulfoksid (DMSO) | Visoko | Značajno smanjenje | Umjerena krhkost | Visoko |
Efekti mjereni pri zasićenoj apsorpciji nakon 100-satnog izlaganja na naznačenoj temperaturi. Stvarni terenski uslovi mogu uključivati delimičnu apsorpciju i ciklično izlaganje.
Pucanje od stresa iz okoline
Najopasniji način kvara je pucanje pod stresom okoline. To se događa kada polimer pod stresom izložen određenoj kemikaliji razvije krhke pukotine koje se sporo šire kroz materijal. PTFE je vrlo otporan na ESC u poređenju sa većinom polimera, ali nije imun.
ESC zahtijeva istovremeno prisustvo vlačnog naprezanja i specifičnog hemijskog sredstva. Naprezanje može biti zaostalo od proizvodnje ili primijenjeno uvjetima rada. Hemijski agens je obično organski rastvarač sa molekularnim dimenzijama koje odgovaraju slobodnom volumenu polimera, omogućavajući duboko prodiranje u površinske mikro-pukotine.
Hlorovani rastvarači, DMF i DMSO su poznati ESC agensi za PTFE, posebno na temperaturama iznad 80 stepeni. Pucanje počinje na površinskim defektima ili točkama koncentracije naprezanja. Jednom pokrenute, pukotine se polako šire kroz zid cijevi, na kraju uzrokujući curenje ili katastrofalni krhki lom.
Prevencija odabirom materijala i dizajnom
Sprečavanje krhkog kvara u vezi sa otapalom- počinje poštenom procjenom kompatibilnosti. Ne odgovara svaka primjena organskog rastvarača PTFE. Tamo gdje podaci o kompatibilnosti ukazuju na visoku apsorpciju ili rizik od ESC, alternativni fluoropolimeri mogu poslužiti bolje. PFA nudi sličnu hemijsku otpornost sa nižom propusnošću i boljom otpornošću na ESC za određene klase rastvarača.
Dizajnerske mjere smanjuju rizik tamo gdje PTFE ostaje najbolji izbor. Smanjenje pritiska pare smanjuje i propusnost koja pokreće temperaturu i mehanički stres na zidu cevi. Povećanje debljine stijenke produžuje vijek trajanja povećavajući vrijeme potrebno da permeacija postigne ravnotežu.
Operativne mjere uključuju analizu rastvarača prije uvođenja novih procesnih hemija. Jednostavan test uranjanja PTFE uzoraka u predloženi rastvarač na radnoj temperaturi, nakon čega slijedi mjerenje mehaničkih svojstava, identifikuje nekompatibilnost prije nego što je oprema proizvedena.
Rezime
PTFE cijevi izmjenjivača topline mogu otkazati zbog krtosti-indukovane rastvaračem uprkos reputaciji PTFE-a za univerzalnu hemijsku otpornost. Mehanizam uključuje fizičku apsorpciju molekula rastvarača u polimernu strukturu, što uzrokuje plastifikaciju i potencijalno pucanje pod stresom iz okoline.
Visoko{0}}rizični rastvarači uključuju klorirane organske tvari, DMF i DMSO na povišenim temperaturama. Prevencija zahtijeva iskrenu procjenu kompatibilnosti, konzervativan odabir pritiska pare i operativnu kontrolu izloženosti rastvaraču.
Inženjerske smjernice za kemijsku kompatibilnost PTFE izmjenjivača topline u specifičnim primjenama rastvarača dostupne su nakon podnošenja kompletnog sastava rastvarača, radne temperature i pritiska, i bilo koje istorije prethodnih performansi materijala u aplikaciji.
