Kakšen je potencial uporabe keramičnih prevlek-iz polimerov na PTFE grelnikih za izjemno odpornost proti obrabi?

Čisti PTFE je kemično neprepustna, vendar mehansko mehka koža, ki jo je mogoče strgati z nohtom ali počasi obrabiti s tekočo gnojevko. Za potopne grelnike je mehkoba že dolgo značilna omejitev PTFE v zahtevnih industrijskih aplikacijah. Eno novo področje v znanosti o materialih poskuša rešiti ta problem. Na površino PTFE nanese tekoči prekeramični polimer in jo spremeni v trdo, tanko, fleksibilno keramično plast. To daje hibridno zaščitno kožo, ki združuje znamenito kemično odpornost PTFE z mehansko žilavostjo keramičnega ščita.

V konceptu je tehnologija podobna teflonski ponvi z ultra-trdo prozorno oklepno prevleko. Prevleka je debela le nekaj molekul, vendar bistveno spremeni odziv površine na praske, delce in mehansko obrabo.

Razvijajoče se področje v zvezi z odpornostjo proti obrabi PTFE grelnikov, ki prekrivajo keramične obloge iz polimerov, zdaj postaja zanimiva tema v kemični predelavi, rudarstvu in inženiringu naprednih toplotnih sistemov.

Zakaj PTFE grelniki ne zdržijo v abrazivnih okoljih
PTFE si je pridobil industrijski sloves zaradi odlične odpornosti na močne kemikalije, močne dielektrične trdnosti in dobre združljivosti s korozivnimi tekočinami. Vendar pa sta površinska trdota in odpornost materiala proti obrabi precej nizki.

V različnih industrijskih postopkih potopni grelniki delujejo v nastavitvah, ki vsebujejo:

delci katalizatorja premešani

Suspenzije, kristalne

Mineralne gošče

Abrazivne usedline

Visokohitrostni tok tekočine

Suspenzije keramičnega prahu

Pod temi pogoji se lahko PTFE ovoj zaradi pogostega mehanskega stika počasi obrabi.

Kemična pregrada je še vedno zelo dobra, vendar se lahko sama površina postopoma strga, razbode ali oslabi. Električna izolacija in odpornost proti koroziji se lahko zmanjšata, če se zaščitni ovoj predre zaradi drgnjenja.

Ta težava je povzročila zanimanje za nove površinske tehnologije, ki bi lahko okrepile PTFE, ne da bi spremenile njegovo osnovno kemijsko naravo.

Keramične-prevleke iz polimerov: kratek pregled
Polymer{0}}izvedena keramika (PDC) je znana družina sofisticiranih materialov, razvitih s pretvorbo skrbno izdelanih polimerov v keramične strukture z nadzorovano toplotno obdelavo.

Običajno se ti materiali obdelujejo pri zelo visokih temperaturah, pogosto nad 800 stopinj. Takšne temperature pretvorijo prekurzorske polimere na osnovi silicija v trde keramične faze, kot so:

Silicijev oksikarbid (

Ogljik - Silicijev nitrid

spojine na osnovi silicijevega karbida

Amorfne keramične steklene mreže

Te keramične strukture so izjemno robustne, toplotno stabilne in kemično odporne.

Najbolj---raziskovalni izziv je prilagoditi to tehnologijo temperaturno{3}}občutljivim PTFE podlagam, ki ne prenesejo standardnih temperatur obdelave keramike.

Kako lahko deluje postopek nanašanja prevleke na PTFE grelnikih
Postopek se začne z zelo tanko plastjo predkeramične polimerne smole, ki se nanese na končni PTFE grelni plašč.

Ta premaz mora biti:

Standardno

Brezhibno

Prilagodljiv

Kemično neaktiven

Zelo tanek

Prevlečeni plašč je nato po nanosu podvržen nadzorovani toplotni obdelavi pri temperaturah, ki so natančno nadzorovane znotraj meja stabilnosti PTFE.

Izzivi nizko-temperaturne pirolize
PTFE bi se takoj poškodoval pri običajnih temperaturah obdelave PDC. Posledično je treba razviti modificirane pred{1}}keramične kemije, ki so lahko podvržene delni pretvorbi keramike pri temperaturah, ki se približujejo toplotnim omejitvam fluoropolimerov ali pod njimi.

Raziskovalci preiskujejo:

Sistemi zamreženja pri nizkih temperaturah

UV strjevanje

Pretvorba s pomočjo plazme

Hibridne kemije: Sol-gel

Nanokompozitni keramični prekurzorji

Ideja je razviti površino,-podobno keramični, ne da bi morali PTFE podlago izpostaviti škodljivi vročini.

To je še vedno zelo eksperimentalno, vendar je teoretični potencial velik.

Ideja keramičnega ščita
Zamisel je precej dobro zajeta s čarobno barvo, ki se spremeni v prožen, steklo-trd ščit.

Po pretvorbi premaz ustvari ultra{0}}tanko keramično površinsko plast, ki je debela le nekaj mikronov. Kljub majhni debelini ima lahko material izjemne prednosti pri:

odporen na praske

Trdota površine

odpornost-na obrabo

Odpornost na erozijo delcev

Površinska vzdržljivost pri mešanju

Pomembno je, da PTFE pod njim še naprej opravlja svojo prvotno funkcijo:

Zaščita s kemično pregrado

električne izolacije

Namestitev fleksibilnosti

Prevzemanje toplotnega raztezanja

Keramična plast prenese mehanske obremenitve, PTFE substrat pa zagotavlja kemično izolacijo.

Možne uporabe v okoljih ekstremne toplotne obdelave
Če bo ta tehnologija uspešno tržena, bi lahko močno razširila delovna okolja PTFE grelnikov.

Rudarske gošče - Abrazivno sredstvo
Konvencionalne fluoropolimerne površine lahko hitro poškodujejo suspendirani materiali, ki jih najdemo v rezervoarjih za predelavo mineralov.

Suspenzijski reaktorji s katalizatorjem
Kemični reaktorji s trdimi delci katalizatorja so običajno izpostavljeni nenehnim udarcem in turbulencam na površini potopnih grelnikov.

Kristalizacijski sistemi
Ko postanejo kristali večji, so lahko pogoji toka v bližini grelnih elementov zelo abrazivni.

Posode za kemikalije (mešane)
-Mešalni sistemi z visoko hitrostjo lahko povzročijo lokalizirano turbulenco in trke delcev, ki lahko sčasoma poslabšajo tipične PTFE prevleke.

Uspešna rešitev za abrazijo PTFE grelnikov s keramično prevleko, pridobljeno iz polimerov, lahko omogoči, da potopni grelniki PTFE obstanejo v situacijah, ki prej niso bile primerne za sisteme na osnovi fluoropolimerov.

Ključni pomen celovitosti premaza
Keramična obloga ne sme biti le trda. Prav tako mora biti popolnoma neprekinjen in brezhiben.

Pomembno je, da površina-brez lukenj:

Celovitost električne izolacije

Izolacija proti koroziji

Dielektrične lastnosti, dolgoročno-

Celo majhne napake na prevleki lahko povzročijo, da so lokalna območja PTFE izpostavljena koncentrirani obrabi ali povzročijo težave z električno zanesljivostjo.

Eden največjih inženirskih izzivov je ohraniti konsistenco: upogibe, varjene prehode in ukrivljene površine plašča.

Težave s toplotnim ciklom in fleksibilnostjo
Keramika je tradicionalno krhek material. PTFE je zelo fleksibilen in ima veliko toplotno razteznost.

To neskladje je zahteven problem inženiringa materialov.

Med delovanjem so potopni grelniki pogosto izpostavljeni:

Ogrevalni-krogi zagona

Hladno-krčenje

Turbulenca tekočine

Dinamične vibracije

Diferencialne raztezne napetosti

Če se keramična plast ne more upogniti s PTFE substratom, lahko nastanejo razpoke.

Ko nastanejo mikrorazpoke, se lahko odpornost proti obrabi in delovanje kemične pregrade hitro poslabšata.

Zato raziskovalci iščejo amorfne keramične strukture in hibridne keramične-polimerne vmesnike, ki lahko ohranijo nekaj elastičnosti.

Ravnovesje med trdoto in prožnostjo
Ena najbolj vznemirljivih značilnosti keramične-tehnologije, pridobljene iz polimerov, je možnost oblikovanja materialov med trdo keramiko in prožnimi polimeri.

Namesto da bi delovali kot krhko steklo, nekateri sodobni materiali PDC kažejo:

Prilagodljivost v nano merilu

Nižje širjenje razpok.

Izboljšana akomodacija seva

Izboljšan oprijem na polimerne podlage

Ta vmesni odziv bi lahko sčasoma določil, ali tehnika postane komercialno izvedljiva za aplikacije potopnega ogrevanja.

Premisleki glede proizvodnje in obsega
Tudi če so tehnične zahteve izpolnjene, množična proizvodnja predstavlja nov izziv.

Za komercialno uporabo bi bilo potrebno:

Kontrola debeline nanosa, ponovljiva

Zanesljiv postopek lepljenja

Spremenljivost pretvorbe pri nizki temperaturi

Metode strjevanja v industrijskem merilu

Preverjanje kakovosti na dolge proge

Vsak ekonomsko učinkovit pristop mora biti združljiv z obstoječimi postopki izdelave PTFE grelnikov in ne sme znatno povečati kompleksnosti ali stroškov proizvodnje.

Sklepi
Eden najvznemirljivejših prihajajočih napredkov v tehnologiji potopnih grelnikov s fluoropolimeri je ustvarjanje keramičnih prevlek, pridobljenih iz polimerov. Ti premazi bi lahko znatno izboljšali odpornost proti obrabi in praskam, tako da bi na površini PTFE ustvarili ultra{1}}tanko keramično-plast, hkrati pa ohranili neprekosljivo kemično inertnost in električne izolacijske sposobnosti osnovnega materiala.

Glavna težava na novem področju zaščite proti obrabi grelnikov PTFE s keramično prevleko, pridobljeno iz polimerov, je spremeniti keramično kemijo, ki je običajno pri visoki temperaturi, da bi ustrezala nežnim toplotnim omejitvam podlag iz PTFE. Izdelava prožne keramične plasti,-brez luknjic in-odporne na razpoke, je še vedno vroča tema v naprednih raziskavah materialov.

Če bi bili učinkoviti, bi lahko keramični-prevleki, pridobljeni iz polimerov, zagotovili dolgo{1}}iskano zdravilo za največjo mehansko šibkost PTFE, ne da bi ogrozili njegove najpomembnejše kemične prednosti. Najmehkejši inertni polimer in najtrša znanost o keramiki sta lahko na koncu nepričakovana kombinacija, ki daje najtrdnejše zaščitne obloge prihodnjih toplotnih sistemov.