Kakav je potencijal upotrebe keramičkih premaza izvedenih od polimera- na PTFE grijačima za ekstremnu otpornost na abraziju?

Čisti PTFE je hemijski neprobojna, ali mehanički mekana koža, koja se može sastrugati noktom ili polako istrošiti tekućinom. Za uranjajuće grijače, mekoća je dugo bila prepoznatljivo ograničenje PTFE-a u teškim industrijskim primjenama. Jedno novo područje u nauci o materijalima pokušava riješiti taj problem. Nanosi tečni predkeramički polimer na PTFE površinu i pretvara je u čvrst, tanak, fleksibilan keramički sloj. Ovo daje hibridnu zaštitnu kožu koja kombinuje poznatu hemijsku otpornost PTFE-a sa mehaničkom čvrstoćom keramičkog štita.

U konceptu, tehnologija je poput teflonskog tiganja sa ultra-tvrdim prozirnim oklopom. Premaz je debeo samo nekoliko molekula, ali značajno modificira reakciju površine na ogrebotine, čestice i mehaničko habanje.

Polje u razvoju oko upotrebe keramičke obloge izvedene iz polimera PTFE grijača otpornosti na abraziju sada postaje tema od interesa u okviru hemijske obrade, rudarstva i naprednog inženjeringa termičkih sistema.

Zašto PTFE grijači ne traju u abrazivnim okruženjima
PTFE je uspostavio svoju industrijsku reputaciju zbog odlične otpornosti na jake hemikalije, jake dielektrične čvrstoće i dobre kompatibilnosti sa korozivnim tečnostima. Međutim, površinska tvrdoća i otpornost na habanje materijala su prilično niske.

U raznim industrijskim operacijama, potopni grijači rade unutar postavki koje sadrže:

čestice katalizatora se miješaju

Suspenzije, kristalne

Mulj minerala

Abrazivne naslage

Protok fluida velike brzine

Suspenzije keramičkog praha

U ovim uslovima PTFE omotač se može polako istrošiti čestim mehaničkim kontaktom.

Hemijska barijera je i dalje vrlo dobra, ali se sama površina može progresivno ogrebati, izdubiti ili oslabiti. Električna izolacija i otpornost na koroziju mogu se smanjiti ako zaštitni omotač probije abraziju.

Ova poteškoća je izazvala interesovanje za nove površinske tehnologije koje bi mogle ojačati PTFE bez promene njegove osnovne hemijske prirode.

Keramički premazi izvedeni iz{0}} polimera: kratak pregled
Keramika{0}}izvedena od polimera (PDC) je poznata porodica sofisticiranih materijala razvijenih od transformacije pažljivo dizajniranih polimera u keramičke strukture putem kontrolirane toplinske obrade.

Konvencionalno se ovi materijali tretiraju na veoma visokim temperaturama, često preko 800 stepeni. Takve temperature pretvaraju prekursorske polimere na bazi silicija u tvrde keramičke faze kao što su:

silicijum oksikarbid (

Ugljik - Silicijum nitrid

jedinjenja na bazi silicijum karbida

Amorfne staklokeramičke mreže

Ove keramičke strukture su izuzetno robusne, termički stabilne i hemijski otporne.

Najsavremeniji izazov---izazov istraživanja je da se ova tehnologija prilagodi temperaturno-osjetljivim PTFE podlogama koje ne mogu izdržati standardne temperature obrade keramike.

Kako bi proces premazivanja mogao funkcionirati na PTFE grijačima
Proces počinje nanošenjem vrlo tankog premaza od prekeramičke polimerne smole na završni omotač PTFE grijača.

Ovaj premaz mora biti:

Standard

Besprekorno

Prilagodljiv

Hemijski neaktivan

Veoma tanak

Obloženi omotač se zatim podvrgava kontrolisanoj termičkoj obradi na temperaturama precizno kontrolisanim unutar granica stabilnosti PTFE nakon nanošenja.

Izazovi pirolize na niskim{0}}ima
PTFE bi se odmah oštetio na uobičajenim temperaturama PDC obrade. Rezultirajući problem je razviti modificirane pred{1}}kemije koje mogu proći djelomičnu keramičku konverziju na temperaturama koje se približavaju ili ispod termičkih ograničenja fluoropolimera.

Istraživači istražuju:

Sistemi umrežavanja na niskim temperaturama

UV stvrdnjavanje

Konverzija potpomognuta plazmom

Hibridne hemije: Sol-gel

Nanokompozitni keramički prekursori

Ideja je da se razvije površina nalik keramici{0}}bez potrebe da se PTFE baza izlaže štetnoj toplini.

Ovo je još uvijek vrlo eksperimentalno, ali je teoretski potencijal velik.

Ideja o keramičkom štitu
Ideja je prilično dobro uhvaćena magičnom bojom koja se pretvara u fleksibilni stakleni-tvrdi štit.

Nakon konverzije, premaz stvara ultra-tanak keramički površinski sloj koji je debeo samo nekoliko mikrona. Uprkos svojoj maloj debljini, materijal može pružiti izuzetne prednosti u:

otporan na ogrebotine

Površinska tvrdoća

otpornost na habanje{0}}

Otpornost na eroziju čestica

Površinska izdržljivost u miješanju

Važno je da PTFE ispod nastavlja da obavlja svoju prvobitnu funkciju:

Zaštita od hemijske barijere

električne izolacije

Smještaj fleksibilnosti

Prihvatanje termičke ekspanzije

Keramički sloj podnosi mehaničku upotrebu, a PTFE supstrat osigurava hemijsku izolaciju.

Moguća upotreba u okruženjima ekstremne toplotne obrade
Ako se uspješno plasira na tržište, ova tehnologija bi mogla uvelike proširiti radno okruženje PTFE grijača.

Muljci za rudarstvo - Abraziv
Konvencionalne površine fluoropolimera mogu se brzo erodirati suspendiranim materijalima koji se nalaze u rezervoarima za preradu minerala.

Suspencijski reaktori sa katalizatorom
Hemijski reaktori sa čvrstim česticama katalizatora su obično izloženi stalnim udarcima i turbulencijama na površini imerzionih grijača.

Sistemi za kristalizaciju
Kako kristali postaju veći, uslovi protoka u blizini grejnih elemenata mogu biti veoma abrazivni.

Spremnici za hemikalije (potreseni)
{0}}Sistemi miješanja velike brzine mogu uzrokovati lokaliziranu turbulenciju i sudare čestica koji mogu vremenom degradirati tipične PTFE premaze.

Uspješno rješenje za abraziju PTFE grijača s keramičkim premazom izvedeno od polimera može omogućiti PTFE potopnim grijačima da opstanu u situacijama koje ranije nisu bile pogodne za sisteme zasnovane na fluoropolimerima.

Kritična važnost integriteta premaza
Keramička obloga ne smije biti samo tvrda. Takođe mora biti savršeno kontinuirano i besprijekorno.

Važno je održavati površinu{0}}bez rupica:

Integritet električne izolacije

Otpornost na hemijsku permeaciju

Izolacija od korozije

Dielektrična svojstva,-dugoročna

Čak i sitni nedostaci premaza mogu ostaviti lokalizirana PTFE područja podložna koncentrisanom trošenju ili uzrokovati probleme s električnom pouzdanošću.

Jedan od najvećih inženjerskih izazova je održavanje konzistentnosti: savijanja, prijelaza zavara i zakrivljenih površina omotača.

Termički ciklus i pitanja fleksibilnosti
Keramika je tradicionalno bio krhki materijal. PTFE je vrlo fleksibilan i ima veliko toplinsko širenje.

Ova neusklađenost je izazovan problem inženjeringa materijala.

Tokom rada potopni grijači su često izloženi:

Početne runde{0}}zagrijavanja

Hlađenje{0}}skupljanje

Turbulencija fluida

Dinamičke vibracije

Diferencijalna naprezanja ekspanzije

Ako se keramički sloj ne može saviti s PTFE podlogom, mogu se formirati pukotine.

Jednom kada se stvore mikropukotine, otpornost na abraziju i performanse hemijske barijere mogu se brzo smanjiti.

Zbog toga istraživači gledaju na amorfne keramičke strukture i hibridne keramičke{0}}polimerne interfejse koji mogu održati djelić elastičnosti.

Ravnoteža između tvrdoće i fleksibilnosti
Jedna od najuzbudljivijih karakteristika keramičke tehnologije{0}}izvedene od polimera je mogućnost dizajniranja materijala između čvrste keramike i fleksibilnih polimera.

Umjesto da se ponašaju kao krto staklo, određeni moderni PDC materijali pokazuju:

Fleksibilnost na nano skali

Niže širenje pukotine.

Poboljšani smještaj naprezanja

Poboljšano prianjanje na polimerne podloge

Ovaj posrednički odgovor mogao bi na kraju odrediti da li tehnika postaje komercijalno održiva za primjene grijanja potapanjem.

Razmatranja za proizvodnju i obim
Čak i ako su zahtjevi tehničkih performansi ispunjeni, masovna proizvodnja predstavlja novi izazov.

Za komercijalnu primenu bilo bi potrebno:

Kontrola debljine premaza, ponovljiva

Pouzdan proces prianjanja

Varijabilnost konverzije niske temperature

Metode stvrdnjavanja u industrijskim razmjerima

Provjera kvaliteta na duge staze

Svaki ekonomski efikasan pristup mora biti kompatibilan sa postojećim procesima proizvodnje PTFE grijača i ne mora značajno povećati složenost ili trošak proizvodnje.

Zaključci
Jedan od najuzbudljivijih nadolazećih napredaka u tehnologiji fluoropolimernih grijača je stvaranje keramičkih premaza izvedenih od polimera. Ovi premazi mogu značajno poboljšati otpornost na abraziju i ogrebotine tako što proizvode ultra-tanak keramički-sloj na površini PTFE-a, zadržavajući nenadmašnu hemijsku inertnost osnovnog materijala i sposobnost električne izolacije.

Primarni problem u novoj oblasti keramičke prevlake izvedene od polimera PTFE grijač zaštite od abrazije je promjena kemijskog sastava keramike, koja je inače visoka temperatura, kako bi se prilagodila blagim termičkim ograničenjima PTFE supstrata. Proizvodnja fleksibilnog keramičkog sloja-bez rupica i{2}}otpornog na pukotine i dalje je vruća tema u istraživanju naprednih materijala.

Ako su efikasni, keramičke prevlake{0}}izvedene od polimera mogle bi pružiti dugo traženi lijek za najveću mehaničku slabost PTFE-a bez ugrožavanja njegovih najvažnijih hemijskih prednosti. Najmekši inertni polimer i najčvršća nauka o keramici mogu na kraju biti neočekivana kombinacija koja daje najčvršće zaštitne omote budućih termičkih sistema.