化学処理プラントでは、92 度の 30% 硝酸浴に PTFE 浸漬ヒーターを設置しました。ヒーターは温度と化学的性質について評価されました。 4 か月後に失敗しました。-浸透単独によるものではなく、浸透と酸化の組み合わせにより、どちらかのメカニズム単独よりも早くポリマーが劣化しました。シースには細かい亀裂のパターンと、酸化的攻撃の特徴である明確な黄変が見られました。
酸化性の酸-硝酸、クロム酸、高濃度の硫酸、および過酸化物または過硫酸塩を含む混合物-は、PTFE 浸漬ヒーターにとって特有の課題となります。ポリマーは中程度の温度では酸化に耐えます。 90 度を超えると、酸化と熱応力の組み合わせがポリマーの耐性を超えます。
PTFEの酸化メカニズム
PTFE は炭素-フッ素結合が強く、フッ素原子が炭素主鎖を保護しているため、酸化に耐性があります。ただし、高温では、酸素または酸化種がポリマーの弱点を攻撃する可能性があります。-鎖末端、残留不純物、製造中に導入された構造欠陥などが原因です。
この攻撃により、ポリマー鎖を破壊するフッ化カルボニルやその他の酸化種が生成されます。その結果、鎖が切断され、分子量と機械的強度が低下します。表面が脆くなり、細かい亀裂が生じます。亀裂はさらなる浸透と攻撃のための経路を提供します。
酸化速度は、温度、酸化種の濃度、金属イオンなどの触媒の存在に依存します。鉄、銅、その他の遷移金属は PTFE の酸化を触媒し、劣化を促進する可能性があります。
| 酸化性の酸 | 集中 | 温度 | 酸化速度 | PTFE の耐用年数 |
|---|---|---|---|---|
| 硝酸 | 20% | 70度 | 低い | 3～5年 |
| 硝酸 | 30% | 90度 | 適度 | 6～14か月 |
| 硝酸 | 30% | 95度 | 高い | 3～8ヶ月 |
| 硝酸 | 50% | 90度 | 非常に高い | 2～6か月 |
| クロム酸 | 20% | 90度 | 高い | 4～10ヶ月 |
| 硫酸 | 70% | 95度 | 中～高 | 6～14か月 |
| 過酸化物-を含む | 5% | 80度 | 高い | 4～10ヶ月 |
90度以上の酸化性酸使用における酸化速度とPTFEの耐用年数
酸化と浸透の複合効果
酸化と浸透は独立したものではありません。酸化により表面に亀裂が生じ、ポリマーの浸透性が高まります。浸透により水分と化学物質がポリマーの奥深くまで浸透し、そこで酸化部位と反応することができます。 2 つのメカニズムは相互に強化します。
90度を超える酸化性の酸中でヒーターを使用すると、数週間にわたって絶縁抵抗が徐々に低下し、その後亀裂がシースの全厚を貫通すると突然低下することがあります。突然の低下は、多くの場合、何かが間違っていることを示す最初の兆候です。それまでに、ポリマーは数週間にわたって劣化し続けていました。
この組み合わせは、どちらかのメカニズムを単独で使用するよりも有害です。同じ温度の非酸化性酸中でのヒーターは 2 倍長く持続する可能性があります。これは、ポリマーが化学的に分解されず、浸透のみが行われるためです。-
温度: 支配的な変数
温度が10度上昇するごとに、酸化速度は約2倍になります。 95 度で動作するヒーターは、75 度のヒーターよりも酸化しやすく、約 4 倍、65 度のヒーターよりも 8 倍酸化しやすくなります。
シース温度はバルク温度よりもさらに重要です。シース温度 110 度、バルク 92 度で動作するヒーターは、バルク温度が示唆するよりも 2 ～ 4 倍高い酸化速度にポリマーをさらしています。ワット密度を下げてシース温度を下げることが、耐用年数を延ばす最も効果的な方法です。
90度を超える酸を酸化するための実践的なガイドライン
硝酸濃度が 20% 未満、温度が 70 度未満の場合、PTFE 浸漬ヒーターは良好な性能を発揮し、許容可能な耐用年数を実現します。濃度 30% または 90 度を超えると耐用年数が短くなり、代替材料を検討する必要があります。
濃度 20% または 90 度を超えるクロム酸の場合、酸化速度が速く、ヒーターが数か月以内に故障する可能性があります。化学的性質によっては、炭化ケイ素または石英の方が適している場合があります。
濃度 70% を超え、95 度の硫酸の場合、高温、高濃度、酸化条件の組み合わせにより、ポリマーは実用的な限界を超えてしまいます。
| 使用条件 | PTFEの適合性 | 推奨ワット密度 | 予想耐用年数 |
|---|---|---|---|
| 10～20%の硝酸、<70°C | 素晴らしい | 1.2～1.5W/cm2 | 3～5年 |
| 20 ～ 30% 硝酸、70 ～ 90 度 | 限界 | 0.8～1.0W/cm2 | 8～18か月 |
| 30–50% nitric acid, >90度 | 不適切 | - | <6 months |
| 10 ～ 20% クロム酸、70 ～ 90 度 | 限界 | 0.8～1.0W/cm2 | 6～14か月 |
| >20% chromic acid, >90度 | 不適切 | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95度 | 限界 | 0.8～1.0W/cm2 | 6～14か月 |
90 度を超える酸化性酸に対する PTFE の適合性と仕様パラメータ
PTFEが限界に達したとき
PTFEは温度が90度を超え、濃度が高くなると酸化酸の使用限界に達します。このような条件では、酸化速度がポリマーの耐性を超え、耐用年数は 1 年を下回ります。
このような用途では、代替材料を考慮する必要があります。炭化ケイ素は、より高い耐熱性と耐酸化性を備えています。石英は硝酸やクロム酸には適していますが、アルカリ条件には適していません。チタンは硝酸では良好に機能しますが、還元酸では機能しません。
カスタム構成で PTFE のパフォーマンスを拡張する場合
非常に低いワット密度、厚いシース、および改善されたフローアクセスを備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成により、シースの温度と酸化速度が低下します。この改善により、限界酸化性の酸性条件下での耐用年数が数か月から 1 年以上に延長される可能性があります。仕様プロセスでは、酸の化学的性質、濃度、動作温度、および必要なワット数が必要です。 90 度を超える酸化酸バスを備えた施設の場合、このアプリケーション固有のアプローチは、標準のヒーターでは解決できないソリューションを提供します。-
