금속 마감 상점에서는 고장난 PTFE 침지 히터를 비슷한 전력량과 크기의 석영 장치로 교체했습니다. 석영 히터는 가격이 저렴하고 더 나은 열 전달을 제공했습니다. 튜브가 에칭되어 요소가 단락되기 전까지 75도의 뜨거운 알칼리 세척 욕조에서 11일 동안 지속되었습니다. 그 실패는 제조상의 결함이 아니었습니다. 석영과 알칼리성 화학은 근본적으로 호환되지 않습니다.
석영-용융 실리카-는 산성 환경에 탁월한 재료입니다. 대부분의 무기산에 저항하고 열충격에 대한 저항력이 뛰어나며 적외선 에너지를 효율적으로 전달합니다. 이러한 특성으로 인해 산성 용액, 특히 반도체 및 실험실 응용 분야에서 일반적으로 선택됩니다. 그러나 석영은 실리카이고 실리카는 알칼리성 용액에 용해됩니다. 용해 속도는 온도, pH 및 시간에 따라 증가합니다. 뜨거운 알칼리 세척조에서는 석영이 소모됩니다.
석영 용해의 화학
석영은 이산화규소(SiO2)입니다. 수산화물 이온(OH⁻)이 있으면 실리카가 용해되어 가용성 규산염을 형성합니다.
SiO2 + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H2O
반응은 실온과 중성 pH에서 느립니다. 75도, pH 12이상에서는 꾸준히 진행됩니다. 벽 두께가 2mm인 석영 튜브는 뜨거운 알칼리성 욕조에서 매월 0.1~0.3mm가 손실될 수 있습니다. 얇아지는 현상은 처음에는 균일하다가 벽이 약해짐에 따라 가속화됩니다. 튜브가 더 이상 적용 분야의 열적, 기계적 응력을 견딜 수 없을 때 고장이 발생합니다.
PTFE 침지 히터는 수산화물 이온과 반응하지 않습니다. 폴리머는 모든 산업 농도와 온도에서 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 기타 알칼리종에 대해 불활성입니다. 동일한 알칼리 욕조에 있는 PTFE 히터는 며칠이 아니라 몇 년 동안 지속됩니다.
| 목욕 화학 | pH | 온도 | 석영 부식률 | PTFE 적합성 |
|---|---|---|---|---|
| 가성소다, 5% | 13–14 | 60도 | 0.1~0.2mm/월 | 훌륭한 |
| 가성소다, 5% | 13–14 | 80도 | 0.2~0.4mm/월 | 훌륭한 |
| 알칼리성 세척제, pH 11 | 11 | 70도 | 0.02~0.05mm/월 | 훌륭한 |
| 수산화암모늄, 5% | 10–11 | 50도 | 0.01~0.03mm/월 | 훌륭한 |
| 규산나트륨, 3% | 11–12 | 75도 | 0.05~0.15mm/월 | 훌륭한 |
PTFE 적합성과 비교한 알칼리조의 석영 부식률
석영이 산성 서비스에 사용되는 이유
실리카는 낮은-pH 환경에서 안정적이기 때문에 석영은 산성 환경에서 잘 작동합니다. 염산, 황산, 질산 및 인산은 일반적인 침지 히터 온도에서 석영을 공격하지 않습니다. 불산은 예외입니다.{3}}실리카를 빠르게 용해하므로 HF 서비스에는 석영 히터가 사용되지 않습니다.
석영의 열적 특성은 산성 서비스에도 유리합니다. 열전도율은 PTFE보다 약 1.4W/m·K- 높지만 금속보다 낮습니다. 열팽창계수가 매우 낮아 열충격에 대한 저항력이 우수합니다. 이러한 특성으로 인해 석영 히터는 호환 가능한 화학 물질에서 PTFE보다 더 높은 와트 밀도에서 작동할 수 있습니다.
| 재료 | 열전도율 | 산성의 안전한 와트 밀도 | 알칼리성에서의 안전한 와트 밀도 | 상대 비용 |
|---|---|---|---|---|
| 석영 | 1.4 W/m·K | 1.5~2.5W/cm² | 적합하지 않음 | 낮음-보통 |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1.2~1.5W/cm² | 1.2~1.5W/cm² | 보통의 |
| 티탄 | 22 W/m·K | 2~4W/cm² | 2~3W/cm² | 더 높은 |
| 스테인레스 스틸 316 | 16 W/m·K | 1~3W/cm² | 2~4W/cm² | 낮은 |
산성 및 알칼리성 서비스의 침지 히터 재료에 대한 와트 밀도 제한 및 비용 비교
알칼리성 욕조에서 석영을 사용하는 실제 결과
알칼리성 욕조에서 석영 파손의 첫 번째 징후는 일반적으로 튜브 외관의 변화입니다. 실리카가 용해됨에 따라 표면이 서리로 덥거나 에칭됩니다. 벽이 얇아집니다. 튜브는 더욱 약해지고 기계적 손상을 받기 쉽습니다.
벽이 얇아지면 열 저항이 감소하고 외장 온도가 약간 떨어집니다. 처음에는 히터 성능이 더 좋아 보일 수도 있습니다. 그러나 벽이 더 이상 요소를 담을 수 없을 때까지 얇아지는 작업이 계속됩니다. 고장은 종종 갑작스럽게 발생합니다.-알칼리성 용액이 발열체에 닿을 수 있는 균열이나 구멍이 발생합니다.
실패는 위험할 수 있습니다. 알칼리성 용액은 전도성이 있습니다. 용액이 전원이 공급된 요소에 도달하면 단락이 발생합니다. 지락 보호 장치가 작동해야 하지만 그렇지 않으면 히터와 탱크가 손상될 수 있습니다.
석영이 올바른 선택일 때
석영은 더 높은 와트 밀도와 더 낮은 비용이 이점을 제공하는 산성 욕조에 적합한 선택입니다. 일반적으로 다음에서 사용됩니다.
희석 황산 린스 탱크
HF가 없는 질산 산세욕
인산 세척액
탈이온수 린스 탱크
산성 화학을 이용한 반도체 습식 벤치
이러한 응용 분야에서 석영은 PTFE보다 성능이 뛰어나고 비용도 저렴합니다. 한계는 석영이 용해되거나 에칭되는 알칼리 화학 및 HF{1}}함유 욕조입니다.
PTFE가 더 나은 선택일 때
PTFE는 알칼리성 용액, HF{0}}함유 용액 및 pH가 산성과 알칼리성 사이에서 변동할 수 있는 혼합 화학 물질에 더 나은 선택입니다. 또한 히터 표면에 침전물이 형성되고 알칼리성 또는 산성 용액으로 정기적인 세척이 필요한 용존 고형물이 많은 욕조에 더 좋습니다.
PTFE의 낮은 와트 밀도는 동일한 전력에 더 많은 표면적이 필요하다는 것을 의미합니다. 소형 탱크에서는 이것이 한계가 될 수 있습니다. 그러나 적절한 공간이 있는 탱크에서는 PTFE의 더 긴 사용 수명과 더 넓은 화학적 호환성이 크기 단점보다 중요합니다.
어느 재료도 용도에 맞지 않는 경우
일부 응용 분야에서는 석영이나 PTFE 모두 잘 처리되지 않는 화학 작용이 나타납니다. 공통 히터를 공유하는 산성 단계와 가성 단계가 모두 포함된 세척 라인과 같이 강산과 강알칼리를 번갈아 사용하는 욕조에는-두 가지 모두에 저항하는 재료가 필요합니다. PTFE는 이러한 기능을 수행하는 유일한 일반적인 침지 히터 재료입니다.
낮은 와트 밀도, 넓은 표면적 및 밀봉된 단자 인클로저를 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 석영이 파손되고 스테인리스강이 부식되는 응용 분야를 해결합니다. 사양 프로세스에는 수조 화학, pH 범위, 작동 온도, 탱크 크기 및 필요한 전력량이 필요합니다. 알칼리성 또는 혼합{2}}화학 용액을 사용하는 시설의 경우 이 애플리케이션별 접근 방식은 표준 재료가 부족한 경우 안정적인 서비스를 제공합니다.
