酸素が豊富な蒸気状態-
工業用蒸気システムには通常、機械的脱気と化学的酸素除去によって制御される、10 億分の 1 レベルの溶存酸素が含まれています。脱気装置が故障したり、脱酸素剤の供給が中断されたりすると、溶存酸素が百万分率のレベルまで上昇する可能性があります。-一部の特殊なプロセスでは、洗浄または不動態化の目的で酸素が意図的に蒸気に追加されます。
この酸素は、蒸気の高温-圧力に応じて 130 ～ 200 度で酸化環境を作り出します。不活性雰囲気中では熱的に安定なポリマーは、酸素の存在下では酸化分解を受ける可能性があります。分解開始温度、およびその温度を超える温度での分解速度は、ポリマーの分子構造によって異なります。
PTFE と FEP は両方とも過フッ素化ポリマーであり、優れた耐薬品性を共有しています。ただし、酸素の存在下での高温に対する反応は、鎖の構造と結晶化度の違いにより異なります。この違いを理解することは、蒸気の品質管理が不完全な熱交換器用途にとって重要です。
酸化化学の違い
PTFE は -CF₂-CF₂- 繰り返し単位で構成されます。ポリマー鎖はフッ素で完全に飽和されています。 C-H結合、C-Cl結合、不飽和は存在しません。 C-F 結合の解離エネルギーは約 485 kJ/mol です。炭素主鎖はフッ素原子によって完全に保護されており、フッ素原子は鎖の周りにしっかりとした螺旋状の鞘を形成しています。
高温で酸素が存在する場合、PTFE は、空気中で約 300 度を超える温度で C-C 骨格の結合が切れ始める温度でのみ酸化分解を受けます。-酸化生成物はフッ化カルボニル (COF2) とフッ化トリフルオロアセチル (CF3COF) であり、加水分解して HF と CO2 になります。 260 度未満では、実際の機器の寿命にとってその割合は無視できます。
FEPはテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体です。 HFP コモノマーは -CF(CF₃)-CF₂- 単位を導入し、炭素が他の 3 つの炭素と 1 つの CF₃ 側基に結合する第三炭素サイトを作成します。これらの第三級炭素部位は、PTFE 鎖の第二級炭素よりも熱的および酸化的攻撃を受けやすくなっています。分岐点の C-C 結合の結合解離エネルギーはわずかに低くなります。また、不規則な鎖構造により結晶性が低下し、非晶質領域への酸素の透過が増加します。
| 熱劣化パラメータ | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| チェーン構造 | リニア -CF₂-CF₂- | -CF(CF₃)-CF₂- ユニットで分岐 |
| 結晶化度 (%) | 50-70 | 30-45 |
| 空気中での測定可能な重量減少の始まり (度) | ~350 | ~300 |
| 空気中での連続使用温度（度） | 260 | 204 |
| 1 ppm O₂、200 度の蒸気中での分解速度 (% 質量損失/1,000 時間) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| 10 ppm O₂、200 度の蒸気中での分解速度 (% 質量損失/1,000 時間) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| 180 度の酸素富化蒸気における実際の耐用年数（年）{0} | 15+ | 5-10 |
アモルファス相の脆弱性
FEP の結晶化度が低いということは、ポリマーの大部分がより高い自由体積をもつ非晶質相の無秩序な鎖として存在していることを意味します。{0}}酸素は非晶質領域をより容易に透過します。ポリマー内のより高い酸素濃度とより反応性の高い第三級炭素部位の組み合わせにより、酸化分解速度が大幅に速くなります。
通常の溶存酸素を含む蒸気中（<10 ppb), the oxygen concentration is too low to cause measurable degradation of either polymer. The difference between PTFE and FEP is irrelevant. In oxygen-enriched steam-from a deaerator malfunction, chemical cleaning with oxygenated water, or intentional oxygen addition-the difference becomes significant.
200 度、溶存酸素 10 ppm では、FEP は酸化鎖切断と揮発性生成物の発生により、1,000 時間あたり質量の 0.2-0.5% を失います。年間 10,000 時間の稼働時間にわたって、これは 2 ～ 5% の質量損失に相当します。同一条件下での PTFE の損失は 1,000 時間あたり 0.02% 未満であり、分解速度は 10 ～ 25 倍遅いです。
デザインの意味
信頼性の高い脱気と酸素除去を備えた蒸気システムでは、{0}}適切に稼働している産業プラントの標準--では、PTFE と FEP の両方が適切な耐用年数を提供します。 FEP はコストが低く、溶接が容易であるため、これらの用途では FEP が有利になる可能性があります。
既知の酸素逸脱がある蒸気システム、蒸気中に酸素が意図的に存在するプロセス、または蒸気の品質が厳密に制御されていない用途の場合、PTFE は酸化安定性に優れているため、リスクが低い選択肢となります。{0}}酸素富化蒸気中の PTFE の温度限界は 260 度に維持できます-。 FEP の実際の限界は、約 180 度まで下げる必要があります。
まとめ
PTFE 熱交換器チューブは、第三級炭素サイトが存在しないこと、フッ素シースによる炭素主鎖のより強力な遮蔽、および酸素透過を低減するより高い結晶化度により、酸素富化蒸気中での FEP よりも酸化熱劣化に対して大幅に優れた耐性を示します。{0}}溶存酸素が少ない通常の蒸気では、両方のポリマーが適切に機能します。酸素富化蒸気中では、PTFE は FEP よりも 10 ～ 25 倍遅く分解し、その最大温度定格を維持しますが、FEP の実際の温度限界は下げる必要があります。
特定の蒸気品質条件におけるフッ素ポリマー材料の選択に関するエンジニアリング サポートは、蒸気圧力、溶存酸素濃度 (標準値および異常値)、および必要な機器の耐用年数を提出すると利用できます。
