Neočekávaná křehká zlomenina
PTFE je všeobecně propagován jako chemicky inertní. Tato pověst vede některé inženýry ke specifikaci PTFE výměníků tepla pro aplikace zahrnující organická rozpouštědla, aniž by kontrolovali podrobné údaje o kompatibilitě. Většinou je tato důvěra oprávněná. Občas to vede ke křehkému lomu trubky, který se zdá být v rozporu s pověstí chemické odolnosti PTFE.
K selhání nedochází chemickým útokem v konvenčním smyslu-rozpouštědlo nerozpouští ani nekoroduje PTFE. Mechanismus je fyzikální: molekuly rozpouštědla absorbují do struktury polymeru a mění jeho mechanické vlastnosti. Změkčená, nabobtnalá trubice se stává křehkou za podmínek, kdy neexponovaný PTFE zůstává tažný.
Nejčastěji postižené aplikace zahrnují regeneraci farmaceutických rozpouštědel, speciální chemickou syntézu a čisticí procesy využívající smíšená organická-vodná média při zvýšených teplotách.
Permeační a plastifikační mechanismus
PTFE je propustný pro malé organické molekuly. Fluorokarbonová struktura obsahuje volné objemové-mikroskopické dutiny mezi polymerními řetězci-, kterými mohou molekuly rozpouštědla migrovat. Při zvýšených teplotách se rychlost permeace zvyšuje exponenciálně.
Když molekuly rozpouštědla obsadí tyto volné objemové prostory, působí jako vnitřní maziva, oddělují polymerní řetězce a snižují mezimolekulární síly. Tato plastifikace změkčuje PTFE, snižuje jeho pevnost v tahu a modul pružnosti. Účinek je reverzibilní, pokud je rozpouštědlo odstraněno. Zatímco je trubice vystavena horkému rozpouštědlu pod tlakem, její mechanické vlastnosti jsou dočasně degradovány.
Degradace se stává kritickou v kombinaci s mechanickým namáháním. Vnitřní tlak páry vytváří obručové napětí ve stěně trubky. Tepelná roztažnost vytváří axiální napětí. Trubka, která snadno odolává těmto napětím ve svém nezměkčeném stavu, může selhat, když je změkčena absorbovaným rozpouštědlem.
Tabulka 1: Účinky organických rozpouštědel na mechanické vlastnosti PTFE trubice při zvýšené teplotě
| Typ rozpouštědla | Míra absorpce při 100 stupních | Vliv na pevnost v tahu | Vliv na prodloužení | Riziko křehkého selhání |
|---|---|---|---|---|
| Alifatické uhlovodíky (hexan, heptan) | Vysoký | Mírné snížení (20–30 %) | Zvýšení (plastifikace) | Nízký |
| Aromatické uhlovodíky (toluen, xylen) | Velmi vysoká | Výrazné snížení (30–50 %) | Počáteční zvýšení, poté snížení | Mírný |
| Chlorovaná rozpouštědla (methylenchlorid) | Velmi vysoká | Výrazné snížení (40–60 %) | Prudký pokles (křehnutí) | Vysoký |
| Ketony (aceton, MEK) | Mírný | Mírné snížení (15–25 %) | Mírný nárůst | Nízký |
| Estery (ethylacetát) | Vysoký | Výrazné snížení (25–40 %) | Mírný pokles | Mírný |
| dimethylformamid (DMF) | Velmi vysoká | Silné snížení | Silné zkřehnutí | Velmi vysoká |
| dimethylsulfoxid (DMSO) | Vysoký | Výrazné snížení | Střední křehkost | Vysoký |
Účinky měřené při nasycené absorpci po 100hodinové expozici při uvedené teplotě. Aktuální polní podmínky mohou zahrnovat částečnou absorpci a cyklickou expozici.
Praskání environmentálního stresu
Nejnebezpečnějším způsobem poruchy je praskání vlivem prostředí. K tomu dochází, když namáhaný polymer vystavený určité chemické látce vytvoří křehké praskliny, které se pomalu šíří materiálem. PTFE je vysoce odolný vůči ESC ve srovnání s většinou polymerů, ale není imunní.
ESC vyžaduje současnou přítomnost tahového napětí a specifického chemického činidla. Napětí může být zbytkové z výroby nebo způsobené provozními podmínkami. Chemické činidlo je typicky organické rozpouštědlo s molekulárními rozměry, které odpovídají volnému objemu polymeru a umožňují hluboké pronikání do povrchových mikro-trhlin.
Chlorovaná rozpouštědla, DMF a DMSO jsou známá ESC činidla pro PTFE, zejména při teplotách nad 80 stupňů. Praskání začíná v povrchových defektech nebo bodech koncentrace napětí. Po iniciaci se trhliny pomalu šíří stěnou trubky a nakonec způsobí netěsnost nebo katastrofický křehký lom.
Prevence prostřednictvím výběru materiálu a designu
Prevence křehkého selhání-rozpouštědla začíná poctivým posouzením kompatibility. Ne každá aplikace organických rozpouštědel vyhovuje PTFE. Tam, kde údaje o kompatibilitě naznačují vysokou absorpci nebo riziko ESC, mohou lépe sloužit alternativní fluoropolymery. PFA nabízí podobnou chemickou odolnost s nižší propustností a lepší odolností proti ESC pro určité třídy rozpouštědel.
Konstrukční opatření snižují riziko tam, kde PTFE zůstává nejlepší volbou. Snížení tlaku páry snižuje jak teplotní prostup, tak i mechanické namáhání stěny trubky. Zvyšující se tloušťka stěny prodlužuje životnost tím, že prodlužuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy prostupem.
Provozní opatření zahrnují analýzu rozpouštědel před zavedením nových procesních chemikálií. Jednoduchý ponorný test vzorků PTFE v navrženém rozpouštědle při provozní teplotě, následovaný měřením mechanických vlastností, identifikuje nekompatibilitu před výrobou zařízení.
Shrnutí
Trubky výměníku tepla z PTFE mohou selhat v důsledku křehnutí-rozpouštědlem, a to navzdory pověsti PTFE jako univerzální chemické odolnosti. Mechanismus zahrnuje fyzikální absorpci molekul rozpouštědla do struktury polymeru, což způsobuje plastifikaci a potenciální praskání v prostředí.
Vysoce riziková rozpouštědla zahrnují chlorované organické látky, DMF a DMSO při zvýšených teplotách. Prevence vyžaduje poctivé posouzení kompatibility, konzervativní výběr tlaku páry a provozní kontroly expozice rozpouštědlům.
Technické pokyny pro chemickou kompatibilitu výměníků tepla PTFE v konkrétních aplikacích rozpouštědel jsou k dispozici po předložení úplného složení rozpouštědla, provozní teploty a tlaku a jakékoli historie předchozích vlastností materiálu v aplikaci.
