Može li PTFE zaista korodirati? Razumijevanje granica hemijske otpornosti grijaćih elemenata?

Nakon samo osam mjeseci neprekidne upotrebe, pokvario se PTFE-imerzioni grijač koji je korišten u specijalnom hemijskom reaktoru. Agregat je trebao trajati pet godina u procesu sa 70% azotne kiseline na 220 stepeni. Kada smo ga pogledali, nije bilo tragova ugljenisanja, topljenja, suvog-pečenja ili mehaničkog habanja. S druge strane, površina fluoropolimera je pokazala ravnomjerno izbjeljivanje, male pukotine na površini i primjetan gubitak debljine stijenke. Operater isprva nije mogao vjerovati: "PTFE je hemijski inertan-ništa ga ne napada." Taj pojam, koji je uobičajen u procesnom sektoru, je razlog zašto je kvar ostao nezapažen sve dok gubici u proizvodnji nisu rasli.

Događaj pokazuje uobičajeni nesporazum. Politetrafluoroetilen (PTFE) je poznat po tome što je hemijski inertan jer ima veoma stabilnu ugljičnu -fluornu kičmu. Međutim, ova stabilnost nije uvijek prisutna u svim situacijama. Inženjeri procesa i specifikacije materijala koji misle da je PTFE imun na rizik od pogrešne primjene, rane zamjene i neplaniranih zastoja. Poznavanje tačnih uslova koji omogućavaju hemikalijama da napadnu PTFE pomaže vam da odaberete pravi materijal i čini ga dužim trajanjem u teškim primjenama grijaćih{5}}elemenata.


PTFE je otporan na skoro sve industrijske rastvarače, kiseline, baze i gasove na umerenim temperaturama, koje su obično ispod 150 stepeni. Budući da nema polarne dijelove i ima puno fluora, ne lijepi se niti vlaži većinu stvari. Dakle, tabele kompatibilnosti pokazuju hiljade supstanci kao "bez napada" ili "odličnu otpornost". Ova sposobnost je ono što čini PTFE korisnim za obloge, zaptivke i grijaće omote u hemijskoj obradi, poluvodičke mokre klupe i farmaceutske reaktore.

Kada temperature porastu, stvari se mijenjaju. Kada temperatura pređe 200 stepeni, molekuli u PTFE lancima kreću se slobodnije. Neki agresivni organizmi tada mogu proći kroz površinu i započeti slom. Poznato je da su tri vrste droga opasne.

Prvo, natrijum i kalijum, koji su alkalni metali, brzo defluoriraju PTFE. Kada temperatura poraste preko 300 stepeni, atomi metala uzimaju fluor iz polimernog lanca, praveći metalne fluoride i ostavljajući za sobom ostatak bogat-ugljikom. Reakcija je dovoljno jaka da se može namjerno koristiti u laboratorijskim studijama fuzije natrijuma za pronalaženje halogena.

Drugo, moćne fluorirajuće hemikalije poput elementarnog plina fluora i hlor trifluorida mogu oštetiti PTFE čak i na nižim temperaturama. Ove kemikalije ili dodaju fluor ili zamjenjuju atome fluora koji su već tamo. Ovo prekida lance i čini ih krhkim. Kada se izloži 10% fluora u azotu na 150 stepeni, površinski napad je očigledan u roku od nekoliko sati.

Treće, vrlo jake oksidirajuće kiseline na temperaturama blizu gornje granice rada PTFE-a (260 stupnjeva kontinuirano) uzrokuju sporo, ali postojano raspadanje. Dimljiva dušična kiselina, visoko koncentrirana perhlorna kiselina i mješavine sa slobodnim halogenima mogu uzrokovati oksidaciju površine polimera. Tempo raste veoma brzo kada je temperatura na 250 stepeni ili više. PTFE može podnijeti slabe kiseline dugo vremena, ali kada se pomiješaju s velikim koncentracijama, visokim temperaturama i dugim vremenskim periodima, oni prelaze granicu kinetičke stabilnosti materijala.

Hemijski napadi ostavljaju sasvim drugačije tragove na stvarima od termičkih ili mehaničkih kvarova. Rasipanje svjetlosti iz mikro-praznina ili promjena u kristalima uzrokuje izbjeljivanje površine. Nakon cijepanja lanca, omotač postaje krhak i krut, zbog čega je vjerojatnije da će se razbiti dok se širi toplinom. Gubitak težine, koji se može mjeriti periodičnim gravimetrijskim pregledima, pokazuje da je materijal uklonjen. U ozbiljnim slučajevima, mikroskopska inspekcija pokazuje udubljenje ili intergranularno odvajanje koje se ne vidi samo kod termičkih kvarova.

Ovi izuzeci se jako razlikuju od većine industrijskih spojeva. Na 200 stepeni, sumporna kiselina može biti i do 98% jaka, a hlorovodonična kiselina, rastvori natrijum hidroksida i organski rastvarači poput toluena ili acetona se ne razlažu tokom godina upotrebe. Glavna razlika nije sama hemikalija, već omotač temperature{4}}koncentracije. PTFE ima širok raspon performansi, iako nije beskonačan.

Praktična provjera kompatibilnosti zahtijeva više od površnog pregleda općih karata. Većina objavljenih podataka pokazuje kratkoročne-rezultate uranjanja na sobnoj temperaturi ili na jednoj višoj temperaturi. Inženjeri moraju osigurati da koncentracija, temperatura i vrijeme ekspozicije odgovaraju postrojenju. Ne možete koristiti riječi "otporan" i "kompatibilan" da znače istu stvar. Nakon sedam dana testiranja, materijal se može klasificirati kao otporan, ali se može s vremenom pokvariti kada se dosegnu temperaturna ograničenja. Za granične aplikacije-koje rade unutar 20 stepeni od specificiranog maksimuma ili koriste snažne oksidatore-imerzijsko testiranje pod simuliranim procesnim uslovima ostaje jedina pouzdana provjera.

U praksi, najčešći način da se PTFE u industrijskim grijaćim elementima stvarno ošteti hemikalijama je kada se koristi na temperaturama višim od prihvatljive granice i ako su prisutni oksidanti. Manje uobičajen, ali prijavljeni scenario kvara uključuje napad rastopljenog sumpora ili nekih metalnih halogenida na temperaturama iznad 300 stepeni. U oba slučaja, procesni omotač je bio prevelik za prozor kinetičke stabilnosti polimera.

Ne postoji niti jedan materijal koji radi za sve. PTFE je hemijski najotporniji materijal koji je dostupan, iako ima ograničenja koja se mogu izmjeriti. Poznavanje tih ograničenja-kao što su rastopljeni alkalni metali, jake fluorirane hemikalije i intenzivni oksidanti blizu gornje temperaturne granice-spriječava ljude da ih pogrešno koriste i štiti skupu opremu. Za svaku instalaciju gdje su uvjeti rada blizu objavljenih granica, provjera kompatibilnosti pažljivim pregledom podataka i izvođenjem ciljanih testova uranjanja osigurava da zadivljujuća svojstva PTFE dovode do dugog, pouzdanog vijeka trajanja koji inženjeri procesa i specifikacije materijala očekuju.