한 화학 처리 공장에서는 92도의 30% 질산조에 PTFE 침지 히터를 설치했습니다. 히터는 온도와 화학적 특성에 따라 평가되었습니다. 4개월 후에 실패했습니다.-침투만으로 인한 것이 아니라 침투와 산화의 조합으로 인해 어느 메커니즘보다 더 빠르게 폴리머가 분해되었습니다. 피복은 미세한 균열 패턴과 산화 공격의 특징인 뚜렷한 황변을 보여주었습니다.
산화성 산-고농도의 질산, 크롬산, 황산 및 과산화물 또는 과황산염을 함유한 혼합물-은 PTFE 침지 히터에 특별한 문제를 제시합니다. 폴리머는 적당한 온도에서 산화에 저항합니다. 90도 이상에서는 산화와 열 응력이 결합되어 폴리머의 저항 능력을 초과합니다.
PTFE의 산화 메커니즘
PTFE는 탄소-불소 결합이 강하고 불소 원자가 탄소 백본을 보호하기 때문에 산화에 강합니다. 그러나 온도가 상승하면 산소 또는 산화 종이 폴리머의 약한 지점- 사슬 끝, 잔류 불순물 및 제조 과정에서 발생하는 구조적 결함을 공격할 수 있습니다.
공격은 폴리머 사슬을 파괴하는 불화카르보닐과 기타 산화종을 생성합니다. 그 결과 사슬이 절단되어 분자량과 기계적 강도가 감소합니다. 표면이 부서지기 쉽고 미세한 균열이 발생합니다. 균열은 추가 침투 및 공격을 위한 경로를 제공합니다.
산화 속도는 온도, 산화종의 농도, 금속 이온과 같은 촉매의 존재 여부에 따라 달라집니다. 철, 구리 및 기타 전이 금속은 PTFE의 산화를 촉진하여 분해를 가속화할 수 있습니다.
| 산화성산 | 집중 | 온도 | 산화율 | PTFE 서비스 수명 |
|---|---|---|---|---|
| 질산 | 20% | 70도 | 낮은 | 3~5년 |
| 질산 | 30% | 90도 | 보통의 | 6~14개월 |
| 질산 | 30% | 95도 | 높은 | 3~8개월 |
| 질산 | 50% | 90도 | 매우 높음 | 2~6개월 |
| 크롬산 | 20% | 90도 | 높은 | 4~10개월 |
| 황산 | 70% | 95도 | 보통 – 높음 | 6~14개월 |
| 과산화물-함유 | 5% | 80도 | 높은 | 4~10개월 |
90도 이상의 산화성 산 서비스에서 산화 속도 및 PTFE 서비스 수명
산화와 침투의 복합 효과
산화와 침투는 독립적이지 않습니다. 산화는 표면 균열을 일으키고 폴리머의 투과성을 증가시킵니다. 투과는 수분과 화학 물질을 폴리머 내부로 더 깊게 가져와 산화된 부위와 반응할 수 있게 합니다. 두 메커니즘은 서로를 강화합니다.
90도 이상의 산화성 산에 있는 히터는 몇 주에 걸쳐 절연 저항이 점진적으로 감소한 다음 균열이 전체 피복 두께를 관통할 때 급격한 감소를 나타낼 수 있습니다. 갑작스러운 하락은 종종 무언가 잘못되었다는 첫 번째 징후입니다. 그때까지 폴리머는 몇 주 동안 분해되었습니다.
이러한 조합은 두 가지 메커니즘 중 하나를 단독으로 사용하는 것보다 더 해롭습니다. 동일한 온도에서 비산화성 산의 히터는 폴리머가 화학적으로 분해되지 않고-투과되기 때문에 두 배 더 오래 지속될 수 있습니다.
온도: 주요 변수
온도가 10도 올라갈 때마다 산화 속도는 대략 두 배로 늘어납니다. 95도에서 작동하는 히터는 75도에서 작동하는 히터보다 산화에 약 4배 더 민감하고, 65도에서 작동하는 히터보다 8배 더 민감합니다.
외장 온도는 벌크 온도보다 훨씬 더 중요합니다. 110도의 외장 온도와 92도 벌크에서 작동하는 히터는 벌크 온도가 제시하는 것보다 2~4배 더 높은 산화 속도에 폴리머를 노출시킵니다. 피복 온도를 낮추기 위해 와트 밀도를 줄이는 것이 서비스 수명을 연장하는 가장 효과적인 방법입니다.
90도 이상의 산 산화에 대한 실제 지침
농도가 20% 미만이고 온도가 70도 미만인 질산의 경우 PTFE 침지형 히터가 제대로 작동하고 허용 가능한 서비스 수명을 제공합니다. 농도가 30% 이상 또는 90도 이상에서는 수명이 짧으므로 대체 재료를 고려해야 합니다.
농도가 20% 이상이거나 90도를 초과하는 크롬산의 경우 산화 속도가 빨라서 몇 달 내에 히터가 고장날 수 있습니다. 화학적 성질에 따라 실리콘 카바이드 또는 석영이 더 적합할 수 있습니다.
70% 농도 및 95도 이상의 황산의 경우 고온, 고농도 및 산화 조건의 조합으로 인해 폴리머가 실제 한계를 넘어서게 됩니다.
| 서비스 조건 | PTFE 적합성 | 권장 와트 밀도 | 예상 서비스 수명 |
|---|---|---|---|
| 10~20% 질산,<70°C | 훌륭한 | 1.2~1.5W/cm² | 3~5년 |
| 20~30% 질산, 70~90도 | 가장자리 가의 | 0.8~1.0W/cm² | 8~18개월 |
| 30–50% nitric acid, >90도 | 적합하지 않음 | - | <6 months |
| 10~20% 크롬산, 70~90도 | 가장자리 가의 | 0.8~1.0W/cm² | 6~14개월 |
| >20% chromic acid, >90도 | 적합하지 않음 | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95도 | 가장자리 가의 | 0.8~1.0W/cm² | 6~14개월 |
90도 이상의 산 산화에 대한 PTFE 적합성 및 사양 매개변수
PTFE가 한계에 도달했을 때
PTFE는 온도가 90도를 초과하고 농도가 높을 때 산화성 산 서비스의 한계에 도달합니다. 이러한 조건에서는 산화 속도가 폴리머의 저항 능력을 초과하고 서비스 수명이 1년 미만으로 떨어집니다.
이러한 응용 분야에서는 대체 재료를 고려해야 합니다. 탄화규소는 더 높은 온도 성능과 산화 저항성을 제공합니다. 석영은 질산과 크롬산에는 적합하지만 알칼리성 조건에는 적합하지 않습니다. 티타늄은 질산에서는 잘 작동하지만 산을 환원시키는 경우에는 그렇지 않습니다.
맞춤형 구성으로 PTFE 성능이 확장되는 경우
매우 낮은 와트 밀도, 두꺼운 피복 및 향상된 흐름 접근을 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 피복 온도와 산화 속도를 감소시킵니다. 개선으로 인해 한계 산화성 산성 조건에서 서비스 수명이 수개월에서 1년 이상으로 연장될 수 있습니다. 사양 프로세스에는 산성 화학, 농도, 작동 온도 및 필요한 전력량이 필요합니다. 90도 이상의 산화성 산성조가 있는 시설의 경우, 이 애플리케이션별 접근 방식은{4}}표준 히터가 제공할 수 없는 솔루션을 제공합니다.
