Zakaj bi moral imeti grelec PFA, ki se uporablja v kovinski-končni liniji, polmer vseh vogalov v primerjavi z ostrimi robovi?

Zaradi nizkih stroškov in močne kemične odpornosti na različne kisline in baze se PVC (polivinilkloridne) obloge rezervoarjev pogosto uporabljajo pri kemični obdelavi. Toda PVC postane prožen z dodajanjem mehčalcev, običajno ftalatov (DEHP, DINP, DIDP) ali ne-ftalatnih alternativ (DOA, TOTM). Ti mehčalci niso kovalentno vezani na PVC matriko in se sčasoma nagibajo k migriranju na površino, zlasti pri povišanih temperaturah (40–80 stopinj). Migracija mehčala iz grelnikov PFA v rezervoar, obložen s plastificiranim PVC-Ko je grelnik PFA potopljen v rezervoar, obložen s plastificiranim PVC-, mehčala migrirajo skozi tekočino in se adsorbirajo na površino PFA. Plastifikatorji so organski estri z nizko molekulsko maso, ki povečajo amorfne dele PFA, zmanjšajo temperaturo posteklenitve (Tg) in povečajo razpoke zaradi napetosti v okolju (ESC). Pospešeno testiranje je pokazalo, da PFA v stiku z migrirajočimi ftalatnimi mehčali pri 70 stopinjah razvije površinske razpoke 3–5-krat hitreje kot v pogojih brez mehčala. Prisotnost mehčalcev v PVC oblogah pospešuje površinsko razpokanje grelnikov PFA, zlasti med delovanjem z visoko gostoto vatov (več kot ali enako 3 W/cm2) ali termičnim ciklom.

Medsebojno delovanje PFA in mehanizma migracije mehčala
Plastifikatorji migrirajo iz PVC-ja prek treh mehanizmov: površinske difuzije (mehčalo zacveti na površino obloge in se raztopi v procesni tekočini), izluževanja (plastifikator ekstrahira neposredno v agresivna topila ali kisline) in transporta v parni -fazi (mehčalo izhlapi iz obloge in kondenzira na hladnejših površinah, vključno s hladnim delom grelnika). Ob vstopu v tekočino se plastifikatorji kopičijo. Za 1000-litrski rezervoar s PVC oblogo pri 60 stopinjah lahko vsebnost ftalata v tekoči fazi doseže 20-100 ppm po 6 mesecih. Najvišja koncentracija mehčala je blizu površine obloge (mejni sloj), kjer je mogoče namestiti grelnik PFA za enakomerno segrevanje. Plastifikator prodre v amorfno območje polimera na površini PFA. PFA je 40-50 % amorfen. Molekule mehčala (molekulska masa 300-500 Da) se razpršijo v teh amorfnih območjih in delujejo kot topilo, ki razcepi polimerne verige in zmanjša trenje med verigami. Temperatura posteklenitve amorfne faze se zniža s približno -15 stopinj (čista PFA) na -30 do -40 stopinj (plastificirana PFA). To poveča prožnost pri sobni temperaturi, poveča pa tudi dovzetnost polimera za razpoke zaradi napetosti v okolju, saj jedke vrste zdaj lažje prodrejo v amorfne dele.

Okoljsko napetostno razpokanje je, ko obremenjeni polimer (zaradi toplotnega raztezanja, tlaka ali preostale napetosti iz proizvodnje) pride v stik s površinsko aktivnim sredstvom (mehčalo). Plahčalo zmanjša površinsko energijo, da olajša širjenje loma, tako da se razpoke širijo pri napetostih, ki so precej nižje od običajne meje tečenja polimera. Kritični stres za ESC v PFA v 30 % dušikovi kislini pri 80 stopinjah brez mehčala je 5–7 MPa. Kritična napetost se zmanjša na 2-3 MPa v prisotnosti 50 ppm plastifikatorja DEHP. Grelec s preostalo napetostjo 4 MPa na vogalu prirobnice (tipično za zasnovo z ostrimi-vogli) ne bo počil v čisti kislini, bo pa počil v nekaj mesecih v kislini, onesnaženi z mehčali.

Rezultati testa pospešenega razpokanja
Plasticiser Type Concentration in Liquid (ppm) Temperature (° C)Time to First Visible Crack (PFA, 2 mm wall, 4 MPa applied stress) Cracking Rate vs. No Plasticiser Primary Mechanism None (control) 0 80 >5000 ur (brez razpok) 1,0× Brez ESC DEHP (di-etilheksil ftalat)10 80 1,200-1800 ur 3-4x Amorfno nabrekanje + ESC DEHP 50 80 400-700 ure 7-12x Huda ESC
DEHP 100 80 150-300 ur 15-30X Hitro razpokanje
DINP (di-izononil ftalat) 50 80 500-900 ur 6-10× Podobno kot DEHP
DIDP (di-izodecil ftalat) 50 80 600-1,000 ur 5-8× Večja molekula, počasnejša difuzija
DOA (dioktil adipat, ne-ftalat) 50 80 800–1200 ur 4–6× Ni tako agresiven kot ftalati
TOTM (trioktil trimelitat) 50 80 1,500–2500 ur 2–3× Nizka migracija, večja molekula
Ftalna kislina (produkti razgradnje mehčala)10 80 2,000-3000 ur 2× Manj učinkovita od matičnega mehčala
Odkrivanje in preprečevanje
Primer razpok, ki jih povzroči mehčalo PFA grelnika: (1) Razpoke se najprej razvijejo na strani grelnika, ki je v stiku s PVC oblogo (stran z največjo koncentracijo mehčala). (2) Razpoke so običajno majhne (globoke 0,1 – 0,5 mm), številne in poljubno usmerjene (razpoke termične utrujenosti so obodne). (3) Površina PFA je lahko na dotik nekoliko lepljiva ali mastna zaradi adsorbiranega mehčala. (4) Procesna tekočina ima lahko visok TOC (skupni organski ogljik) zaradi izpiranja mehčala. Analiza za potrditev: Pobrišite površino PFA z tamponom-navlaženim s topilom (izopropanol) in analizirajte z GC-MS na ftalate ali druge mehčale. Če je detekcija pozitivna in nad 10 µg/cm², je zaznana precejšnja kontaminacija z mehčalom.

Strategije preprečevanja: (1) Zamenjajte PVC oblogo z oblogo brez plastifikatorjev (PP, PVDF, PFA ali PTFE). Na voljo je PVC brez -mehčala (trdi PVC, tip I), vendar je manj kemično odporen in je manj prožen. 2) Pregrada za mehčalo: polietilenska ali polipropilenska plošča (1–2 mm) med PVC oblogo in vsebino rezervoarja. To pregrado je treba posodobiti vsako leto. (3) Visoko kroženje tekočine: če se tekočina v rezervoarju pogosto menja (npr. šaržno delovanje s svežo raztopino vsak cikel), ostane koncentracija mehčala nizka (<5 ppm) reducing danger substantially. (4) Use a heater with lower surface stress : radius all corners (see Article #62), anneal to relieve residual stress, and operate at lower watt density (<2.5 W/cm²). A stress-free PFA surface is significantly more resistant to ESC even in the presence of plasticisers. (5) Add a filter (activated charcoal or polymeric adsorbent) to the tank recirculation loop for continuous removal of plasticisers.

Najbolj ekonomično dolgoročno rešitev za obstoječe instalacije s PVC oblogami in PFA grelniki, ki se prezgodaj zlomijo, je zamenjava PVC obloge s PVDF ali polipropilenom (če to dopušča kemična združljivost). Stroški zamenjave obloge (5.000 – 15.000 za 2.000 L rezervoarja) se običajno povrnejo v 2 – 3 letih z zmanjšanimi menjavami grelnikov (5.000 – 15.000 za 2.000 L rezervoarjev) se običajno povrnejo v 2 – 3 letih z zmanjšanimi menjavami grelnikov (500 – 1.500 na grelnik x 2 – 4 grelniki na leto).=1.000 – 6.000 $/leto) in zmanjšan čas izpadov. Če zamenjava obloge ni praktična, razmislite o kovinskem grelniku (titan ali Hastelloy), ki ni izpostavljen ESC zaradi mehčalcev. Grelniki iz titana so 2-3x dražji od PFA, vendar so lahko stroškovno učinkoviti, če se grelniki PFA pokvarijo vsakih 3–6 mesecev zaradi razpokanja plastifikatorja.

Zaključek: Plastifikatorji v veliki meri pospešijo razpokanje PFA
Prisotnost mehčalcev, ki migrirajo iz oblog rezervoarja iz PVC, pospešuje pokanje površin grelnikov PFA in čas do okvare se zmanjša za faktorje 3-30, odvisno od vsebnosti mehčala, temperature in ravni obremenitve grelnika. Ftalatni mehčalci (DEHP, DINP) so najagresivnejši, saj povzročajo razpoke zaradi obremenitve v okolju že pri nizkih pritiskih od 2 do 3 MPa. Življenjsko dobo grelnikov PFA v rezervoarjih s plastificiranimi PVC oblogami je treba obravnavati kot močno zmanjšano - običajno 6–18 mesecev namesto 3–5 let. Da bi ga preprečili, je treba odstraniti vir mehčala (PVC oblogo nadomestiti z materialom brez mehčala), namestiti pregrado ali uporabiti grelni material, ki je odporen na mehčala (titan, kremen, silicijev karbid). Za rezervoarje z obstoječimi PVC oblogami morajo inženirji, ki določajo grelnike PFA, vključiti analizo mehčala v procesno tekočino in razmisliti o hitrih časovnih okvirih zamenjave. Grelec PFA, ki po 4 letih poči v čisti kislini, lahko poči v 4 mesecih v isti kislini s 50 ppm DEHP iz PVC obloge. Ne mislite, da je PFA "kemično odporen", torej odporen na ESC, ki ga ustvarja mehčalo. Plastifikatorji niso kemikalije, ki vplivajo na hrbtenico polimera, napadajo fizično strukturo in PFA je ranljiva.