Odottamaton hauras murtuma
PTFE:tä mainostetaan yleisesti kemiallisesti inerttinä. Tämä maine saa jotkut insinöörit määrittämään PTFE-lämmönvaihtimet sovelluksiin, joissa käytetään orgaanisia liuottimia tarkastamatta yksityiskohtaisia yhteensopivuustietoja. Useimmiten tämä luottamus on perusteltua. Toisinaan se johtaa hauraaseen putken murtumaan, joka näyttää olevan ristiriidassa PTFE:n kemikaalinkestävyyden maineen kanssa.
Vika ei tapahdu kemiallisen vaikutuksen seurauksena tavanomaisessa mielessä-liuotin ei liukene tai syövytä PTFE:tä. Mekanismi on fyysinen: liuotinmolekyylit imeytyvät polymeerirakenteeseen muuttaen sen mekaanisia ominaisuuksia. Pehmitetty, turvonnut putki muuttuu hauraaksi olosuhteissa, joissa valottamaton PTFE pysyy sitkeänä.
Yleisimmin vaikuttavia sovelluksia ovat farmaseuttisten liuottimien talteenotto, erikoiskemiallinen synteesi ja puhdistusprosessit, joissa käytetään orgaanisia{0}}vesipitoisia väliaineita korkeissa lämpötiloissa.
Läpäisy- ja plastisointimekanismi
PTFE läpäisee pieniä orgaanisia molekyylejä. Fluorihiilivetyrakenne sisältää polymeeriketjujen välissä vapaita tilavuuksia{1}}mikroskooppisia onteloita-, joiden läpi liuotinmolekyylit voivat kulkeutua. Korotetuissa lämpötiloissa läpäisynopeus kasvaa eksponentiaalisesti.
Kun liuotinmolekyylit vievät nämä vapaat tilavuustilat, ne toimivat sisäisinä voiteluaineina, erottaen polymeeriketjuja ja vähentäen molekyylien välisiä voimia. Tämä pehmentäminen pehmentää PTFE:tä vähentäen sen vetolujuutta ja kimmokerrointa. Vaikutus on palautuva, jos liuotin poistetaan. Kun putki altistetaan kuumalle liuottimelle paineen alaisena, sen mekaaniset ominaisuudet kuitenkin heikkenevät tilapäisesti.
Hajoamisesta tulee kriittinen, kun se yhdistetään mekaaniseen rasitukseen. Sisäinen höyrypaine aiheuttaa vannejännitystä putken seinämään. Lämpölaajeneminen aiheuttaa aksiaalista jännitystä. Putki, joka kestää helposti näitä rasituksia pehmittämättömässä tilassaan, voi epäonnistua, kun se pehmitetään absorboidulla liuottimella.
Taulukko 1: Orgaanisten liuottimien vaikutukset PTFE-putken mekaanisiin ominaisuuksiin korotetussa lämpötilassa
| Liuotintyyppi | Imeytysnopeus 100 astetta | Vaikutus vetolujuuteen | Vaikutus venymiseen | Hauraan epäonnistumisen riski |
|---|---|---|---|---|
| Alifaattiset hiilivedyt (heksaani, heptaani) | Korkea | Kohtalainen alennus (20-30 %) | Lisäys (pehmennys) | Matala |
| Aromaattiset hiilivedyt (tolueeni, ksyleeni) | Erittäin korkea | Huomattava vähennys (30-50 %) | Aluksi lisäys, sitten lasku | Kohtalainen |
| Klooratut liuottimet (metyleenikloridi) | Erittäin korkea | Vakava lasku (40-60 %) | Jyrkkä lasku (haurastuminen) | Korkea |
| Ketonit (asetoni, MEK) | Kohtalainen | Kohtalainen alennus (15-25 %) | Kohtalainen lisäys | Matala |
| Esterit (etyyliasetaatti) | Korkea | Huomattava vähennys (25-40 %) | Kohtalainen lasku | Kohtalainen |
| Dimetyyliformamidi (DMF) | Erittäin korkea | Vakava vähennys | Vakava haurastuminen | Erittäin korkea |
| Dimetyylisulfoksidi (DMSO) | Korkea | Merkittävä vähennys | Kohtalainen haurastuminen | Korkea |
Vaikutukset mitattuna kylläisellä absorptiolla 100 tunnin altistuksen jälkeen ilmoitetussa lämpötilassa. Todelliset kenttäolosuhteet voivat sisältää osittaista absorptiota ja syklistä altistumista.
Ympäristön stressin murtaminen
Vaarallisin vikatila on ympäristöjännityshalkeilu. Tämä tapahtuu, kun tietylle kemikaalille altistettu jännitetty polymeeri kehittää hauraita halkeamia, jotka etenevät hitaasti materiaalin läpi. PTFE kestää hyvin ESC:tä useimpiin polymeereihin verrattuna, mutta se ei ole immuuni.
ESC edellyttää vetojännityksen ja tietyn kemiallisen aineen samanaikaista läsnäoloa. Jännitys voi johtua valmistuksesta tai käyttöolosuhteiden aiheuttamasta jännityksestä. Kemiallinen aine on tyypillisesti orgaaninen liuotin, jonka molekyylimitat sopivat polymeerin vapaaseen tilavuuteen ja mahdollistavat syvän tunkeutumisen pinnan mikro{2}}halkeamiin.
Klooratut liuottimet, DMF ja DMSO ovat tunnettuja ESC-aineita PTFE:lle, erityisesti yli 80 asteen lämpötiloissa. Halkeilu alkaa pintavioista tai jännityskeskittymispisteistä. Kun halkeamat alkavat, ne etenevät hitaasti putken seinämän läpi aiheuttaen lopulta vuodon tai katastrofaalisen hauraan murtuman.
Ennaltaehkäisy materiaalin valinnalla ja suunnittelulla
Liuottimiin{0}} liittyvien hauraiden vaurioiden estäminen alkaa rehellisestä yhteensopivuuden arvioinnista. Kaikki orgaaniset liuotinsovellukset eivät sovellu PTFE:lle. Jos yhteensopivuustiedot viittaavat korkeaan absorptio- tai ESC-riskiin, vaihtoehtoiset fluoripolymeerit voivat toimia paremmin. PFA tarjoaa samanlaisen kemiallisen kestävyyden, alhaisemman läpäisevyyden ja paremman ESC-kestävyyden tietyissä liuotinluokissa.
Suunnittelutoimenpiteet vähentävät riskiä silloin, kun PTFE on edelleen paras valinta. Höyrynpaineen alentaminen alentaa sekä lämpötilan ajoläpäisyä että putken seinämän mekaanista rasitusta. Seinämän paksuuden lisääminen pidentää käyttöikää lisäämällä aikaa, joka tarvitaan läpäisyn saavuttamiseen tasapainossa.
Operatiivisiin toimenpiteisiin kuuluu liuotinanalyysi ennen uusien prosessikemioiden käyttöönottoa. Yksinkertainen PTFE-näytteiden upotustesti ehdotettuun liuottimeen käyttölämpötilassa, jota seuraa mekaanisten ominaisuuksien mittaus, tunnistaa yhteensopimattomuuden ennen laitteen valmistusta.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihdinputket voivat rikkoutua liuottimien-aiheuttaman haurastumisen vuoksi huolimatta PTFE:n maineesta yleisen kemiallisen kestävyyden vuoksi. Mekanismiin kuuluu liuotinmolekyylien fyysinen imeytyminen polymeerirakenteeseen, mikä aiheuttaa plastisoitumista ja mahdollista ympäristöjännityshalkeilua.
Korkean -riskin liuottimia ovat klooratut orgaaniset aineet, DMF ja DMSO korotetuissa lämpötiloissa. Ennaltaehkäisy edellyttää rehellistä yhteensopivuusarviointia, konservatiivista höyrynpaineen valintaa ja liuottimille altistumisen valvontaa.
Tekniset ohjeet PTFE-lämmönvaihtimen kemiallisesta yhteensopivuudesta tietyissä liuotinsovelluksissa ovat saatavilla, kun toimitetaan täydellinen liuottimen koostumus, käyttölämpötila ja paine sekä aikaisemmat materiaalin suorituskyvyt sovelluksessa.
