Lämpötilakaton ongelma
Alumiini- ja titaani-avaruuskomponenttien kemiallisessa jauhamisessa käytetään alkalisia etsausaineita, jotka sisältävät natriumhydroksidia, trietanoliamiinia ja liuenneita metalleja. Kylpyammeet toimivat 80-110 asteessa seosaine- ja etsausnopeusvaatimuksista riippuen. Lämmönvaihtimen tulee tuottaa tasaista lämpötehoa ratkaisussa, joka hyökkää kemiallisesti useimpiin materiaaleihin.
PVDF vaikuttaa sopivalta ensimmäisellä arvioinnilla. Se kestää vahvoja emäksiä kohtuullisissa lämpötiloissa. Se on sula-prosessoitavissa, mikä mahdollistaa monimutkaisten jakoputkien suunnittelun. Se maksaa vähemmän kuin PTFE. Monet kemialliset jauhatusliikkeet ovat käyttäneet PVDF-lämmönvaihtimia menestyksekkäästi alle 80 asteen kylvyn lämpötiloissa.
Rajoitus syntyy, kun kylvyn lämpötila ylittää 90 astetta. PVDF:n mekaaniset ominaisuudet heikkenevät nopeasti tämän kynnyksen ylittäessä. Polymeeri pehmenee, hiipii kuormituksen alaisena ja tulee alttiiksi ympäristöjännityshalkeilulle trietanoliamiinissa olevien amiiniyhdisteiden läsnä ollessa. Korkeamman lämpötilan ja erinomaisen kemiallisen kestävyyden ansiosta PTFE pysyy täysin toimivana koko toiminta-alueen ajan.
PVDF:n lämpötilarajoitus
PVDF:n jatkuva käyttölämpötila on 150 astetta ilmassa. Tämä luokitus ehdottaa riittävää marginaalia 110 asteen kemikaalikylvylle. Mutta luokitus koskee jännittämätöntä materiaalia hyvänlaatuisissa ympäristöissä. Lämmönvaihtimen sisällä PVDF-putket kokevat sisäisen höyrypaineen aiheuttamaa kehäjännitystä, kannattimien välisen omapainon taivutusjännitystä ja emäksisen trietanoliamiiniliuoksen aiheuttamaa kemiallista altistumista. Yhdistelmä pienentää käytännöllistä käyttökattoa merkittävästi.
90-100 asteen kulmassa PVDF:n kimmomoduuli putoaa noin 20 prosenttiin sen huonelämpötila-arvosta. Putket painuvat tukien väliin. Viruminen höyrypaineen alla kiihtyy. Materiaali pehmenee pisteeseen, jossa puristusliitokset menettävät otteen, jakoputket vääristyvät ja putket voivat vetää irti liittimistä.
110 asteessa, jota monet kemialliset jauhatuskylvyt vaativat titaaniseosten nopeaan etsausnopeuteen, PVDF on lähellä käytännön mekaanista rajaansa. Mikä tahansa prosessihäiriö, joka nostaa kylvyn lämpötilaa edes hetkeksi-höyrynsäätöventtiilin toimintahäiriö, kiertovesipumpun vika-voi ajaa PVDF-komponentit peruuttamattomasti muodonmuutoksiin tai vaurioitumaan.
Taulukko 1: PTFE:n vs. PVDF:n suorituskyky alkalisissa trietanoliamiinin kemiallisissa jauhatuskylvyissä
| Suorituskykyominaisuus | PVDF | PTFE |
|---|---|---|
| Jatkuvan käyttölämpötilan enimmäismäärä (paineistamaton) | 150 astetta | 260 astetta |
| Käytännön käyttöraja emäksisessä kylvyssä | 90-100 astetta | 200 astetta + |
| Kimmomoduuli 100 asteessa (% ympäristöstä) | ~20% | ~40% |
| Virumisvastus 100 asteessa rasituksessa | Huono | Hyvä |
| Ympäristöjännityshalkeilu trietanoliamiinissa | Herkkä yli 80 astetta | Immuuni |
| Alkalinen kemiallinen kestävyys | Hyvä pH 13:een | Erinomainen pH-arvoon 14 |
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | 0.17-0.19 | 0.25 |
| Suhteellinen hinta (putki) | 0.6-0.8× | 1.0× |
| Sulata{0}}käsiteltävä (hitsattavuus) | Kyllä | Ei |
Trietanoliamiinivaikutus
Trietanoliamiini on orgaaninen amiini, jota käytetään kemiallisissa jauhatusliuoksissa syövytysnopeuden ja pinnan viimeistelyn säätelyyn. Se toimii liuenneen alumiinin kompleksinmuodostajana ja estää saostumisen uudelleen työkappaleen pinnalle. Se toimii myös ympäristöjännityshalkeiluaineena PVDF:lle.
Ympäristöjännityshalkeilu tapahtuu, kun jännitetty polymeeri altistuu tietylle kemialliselle aineelle, joka nopeuttaa halkeamien muodostumista. Kemikaali ei liukene tai syövytä polymeeriä irtotavarana-pingottamattomaan trietanoliamiiniliuokseen upotettuna PVDF:ssä ei välttämättä havaita näkyviä muutoksia vuosiin. Mutta kun polymeeri on sisäisen paineen tai taivutuksen aiheuttaman vetojännityksen alaisena ja trietanoliamiinimolekyylit tunkeutuvat pinnan mikrotyhjiöihin, halkeilu alkaa ja leviää.
Yli 80 asteen kylvyn lämpötiloissa heikentyneen PVDF-lujuuden ja lisääntyneen trietanoliamiinin kemiallisen aktiivisuuden yhdistelmä luo olosuhteet, joissa jännityshalkeilu etenee nopeasti. Halkeamat alkavat jännityskeskittymispisteissä: tukipuristimet, putken taivutukset ja jakoliitännät. Kun halkeamat alkavat, ne leviävät putken seinämän läpi, mikä johtaa höyryn vuotamiseen tai putken repeämiseen.
PTFE on immuuni trietanoliamiinin aiheuttamalle ympäristöjännityshalkeilulle. Hiili-fluorisidos on liian vahva, jotta amiini hajoaa. Polymeerin korkeampi virumisvastus lämpötilassa säilyttää rakenteellisen eheyden rasituksen alaisena.
Lämmönsiirron huomioiminen
PVDF:n lämmönjohtavuus 0,17-0,19 W/m·K on hieman pienempi kuin PTFE:n 0,25 W/m·K. PTFE siirtää lämpöä noin 30-40 % tehokkaammin putken seinämän läpi. Samoja lämpötehoja ja putken mittoja varten PTFE-käämi vaatii vähemmän pinta-alaa kuin PVDF-vastaava.
Tämä vaatimaton lämpöetu yhdistettynä PTFE:n korkeampaan käyttölämpötilarajaan mahdollistaa kompaktimman lämmönvaihtimen rakenteen kemiallisiin jauhatuskylpyihin. Korkeampi sallittu höyrynpaine korkeammassa putken seinämän lämpötilassa pienentää tarvittavaa pinta-alaa entisestään.
Yhteenveto
PTFE ylittää PVDF:n korkean lämpötilan kemiallisissa jauhatuskylvyissä, jotka sisältävät emäksistä ja trietanoliamiinia, koska PTFE säilyttää mekaanisen eheyden ja kemiallisen kestävyyden jopa 200 asteen kylvyn lämpötiloissa, mikä ylittää selvästi PVDF:n käytännön rajan 90–100 astetta. Trietanoliamiini nopeuttaa ympäristöjännityshalkeilua jännittyneessä PVDF:ssä korkeissa lämpötiloissa, mikä on vikamekanismi, jolle PTFE on immuuni.
PVDF:n vaatimaton alkukustannusetu häviää vaihtokustannuksista, kun PVDF-yksiköt hajoavat ennenaikaisesti korkeissa käyttölämpötiloissa. PTFE tarjoaa luotettavan-pitkän aikavälin palvelun ilman lämpötila- ja kemikaalialtistusrajoituksia, jotka rajoittavat PVDF:n käytettäväksi alhaisemman lämpötilan kemiallisissa jyrsintäsovelluksissa.
Tekninen analyysi PTFE-vs. PVDF-lämmönvaihtimien valinnasta tietyissä kemiallisissa jauhatussovelluksissa on saatavilla, kun kylvyn kemiat, käyttölämpötila, höyrynpaine ja aiempi lämmönvaihtimen huoltohistoria on toimitettu.
