PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は優れた高温強度を備えていますが、強酸に対する耐性は劣っています。- PFA は酸や塩基に対して優れた耐薬品性を備えていますが、180 度を超えると機械的強度が低下します。共押出二層-シース-強度を高めるためのPEEK内層と耐薬品性を高めるためのPFA外層-により、利点を組み合わせることが目的です。ただし、200 度のアルカリ溶液 (例: 10 ～ 30% NaOH、KOH) では、熱膨張差と結合層へのアルカリ攻撃により、PFA/PEEK 界面は 100 ～ 500 時間以内に剥離します。 CTE の不一致は深刻です。PEEK は 47 ppm/度、PFA は 110 ～ 120 ppm/度で膨張します。 200 度では、界面のせん断応力は 5 ～ 10 MPa を超え、典型的な結合層の接着力 (3 ～ 5 MPa) を超えます。効果的な結合層がないと、層間剥離が急速に発生します。高温-結合層（ポリエーテルイミドやポリベンゾイミダゾールなど）を使用すると、寿命は1,000～2,000時間に延長されますが、それでも5,000時間未満では故障します。 200 度のアルカリ性の連続使用の場合は、薄い PFA コーティングを施したモノリシック PEEK ヒーター (共押出ではなく浸漬コーティング) がより信頼性が高く、あるいは単純に金属ヒーター (チタンまたはニッケル合金) を使用します。
200 度のインターフェースの課題
PFA と PEEK の共押出は、加工温度が異なり (PFA 350 ～ 400 度、PEEK 380 ～ 420 度)、ポリマー同士が相溶しないため困難です。タイレイヤーが必要です。一般的な結合層には、変性ポリエーテルイミド (PEI) またはポリベンズイミダゾール (PBI) が含まれます。 200 度で結合層は軟化します (PEI Tg ≈ 217 度、限界近く)。アルカリ溶液では結合層が加水分解します。化学的攻撃がなくても、CTE の不一致により、熱サイクル (室温から 200 度まで) 中に周期的なせん断応力が発生します。 PFA は冷却時に PEEK の 6 倍以上収縮し、界面から引き離されます。 100 ～ 500 サイクル後に層間剥離が始まります。
剥離時間と環境の関係 (200 度)
| 工事 | タイレイヤー | 環境 | 剥離までの時間 (時間) | 故障モード | 200度のアルカリにも対応していますか？ |
|---|---|---|---|---|---|
| PFA/PEEK 共押出 | なし（直接連絡） | 20% NaOH | 20–50 | 界面分離 | いいえ |
| PFA/PEEK 共押出 | 変性PEI（50μm） | 20% NaOH | 100–300 | 結合層の加水分解 | いいえ |
| PFA/PEEK 共押出 | PBI（25μm） | 20% NaOH | 300–600 | PBI の劣化 | 限界 |
| PFA/PEEK 共押出 | PBI | 10% KOH | 500–1,000 | 遅い層間剥離 | 断続的に許容される |
| PFA ディップコーティングを施した PEEK (0.2 mm) | なし（機械式） | 20% NaOH | 1,000–2,000 | コーティング摩耗 | 許容できる |
| モノリシック PEEK (PFA なし) | N/A | 20% NaOH | >10,000 (化学攻撃) | PEEKは劣化する | いいえ（耐アルカリ性が低い） |
| チタンヒーター | N/A | 20% NaOH | >20,000 | なし | はい（最高） |
アルカリ溶液中での PEEK の耐薬品性
PEEK 自体の強アルカリに対する耐性は 200 度までしかありません。 200 度の 10 ～ 30% NaOH 中では、PEEK は 2,000 時間後に引張強度の 20 ～ 30% を失い、表面亀裂が発生します。したがって、層間剥離が発生しない場合でも、PEEK の内層は劣化します。デュアル-層では PEEK の脆弱性は解決されません。唯一の利点は、PFA の外層が PEEK を直接接触から保護することですが、PFA に亀裂が入ったり浸透したりすると、PEEK は依然としてアルカリ性になります。 200 度では、NaOH は 0.5 ～ 1.0 g/m²・日で 1 mm PFA に浸透し、数週間以内に PEEK 界面に到達します。
実用的な性能データ (200 度、20% NaOH)
| 材料 | 2,000時間後の引張強さ保持率(%) | 表面状態 | OH⁻の透過率（相対） | 推奨最高温度 |
|---|---|---|---|---|
| PFAモノリス | 85–90 | わずかな黄ばみ | 1.0x | 180度 |
| PEEKモノリス | 65–75 | 表面のひび割れ | 5–10x | 200度（有限寿命） |
| PFA/PEEK 共押出 (PBI タイ) | 70～80（全体） | 界面剥離 | 1.0x (PFA 経由) | 190度 |
| PTFE（参考） | 60–70 | 腫れ | 0.5x | 200度（ただし柔らかい） |
| チタン（グレード2） | 100（メタル） | 不動態化 | N/A | 200度以上 |
200 度アルカリ加熱の代替ソリューション
濃アルカリ中で 200 度で確実に加熱するには:
チタンヒーター: グレード 2 またはグレード 7 のチタンは、200 度で 30% NaOH に無期限に耐えます。ポリマーは必要ありません。中程度のコスト (2 ～ 3× PFA)。最良の選択。
ニッケル200またはハステロイC-276：高温アルカリにも強いです。チタンに比べて若干コストが安い。
外部加熱: ジャケット付き容器またはバンドヒーターを使用してタンクを外側から加熱します。タンク内部の PFA (または PTFE) ライニングは耐薬品性に優れています。ヒーターがアルカリに触れることはありません。
温度を下げる: 200 度ではなく 160 度で動作します。 PFA 単独では 160 度で機能します (寿命は 10+ 年)。反応速度は遅くなりますが、信頼性は大幅に向上します。
フィールドの例
化学プラントには 200 度、30% NaOH 浸漬ヒーターが必要でした。彼らは、共押出 PFA/PEEK ヒーター (PBI タイ層) を試しました。 4 か月 (約 1,500 時間) 以内にすべて剥離しました。プラントはチタン製グレード 7 ヒーター (3 mm シース、6 kW) に切り替えました。チタンヒーターは5年間ノーメンテナンスで稼働しています。コストは PFA の 3 倍でしたが、障害とダウンタイムがなくなることで 1 年以内に元が取れました。
結論: PFA/PEEK は熱アルカリ使用で剥離する
共押出された PFA/PEEK 二層シースは、アルカリ溶液（10～30% NaOH）中での 200 度の連続暴露に層間剥離なしに耐えることができません。{0}} CTE の不一致と結合層の劣化により、100 ～ 1,000 時間以内にインターフェイス障害が発生します。 PEEK 自体は熱アルカリ中で分解します。信頼性の高い 200 度のアルカリ加熱には、ポリマーを使用しないチタンまたはニッケルのヒーターを使用してください。より低い温度 (160 度以下) の場合は、PFA のみで十分です。 PFA を PEEK で裏打ちして、PFA の温度範囲を拡張しようとしないでください。インターフェイスに障害が発生すると、PEEK が低下します。負ける組み合わせです。金属を使用するか、外部に使用するか、またはより低い温度を使用します。層間剥離はリスクではなく、確実なものです。熱アルカリ中での二重層は避けてください。-チタンの勝ちです。
