石英が苛性浴の PTFE 浸漬ヒーターの代替品として適さないのはなぜですか?

金属仕上げ工場では、故障した PTFE 浸漬ヒーターを同様のワット数と寸法の石英ユニットと交換しました。石英ヒーターは安価であり、より優れた熱伝達を提供しました。チューブがエッチングされて素子がショートするまで、75 度の高温アルカリ洗浄浴中で 11 日間放置されました。この故障は製造上の欠陥ではありませんでした。石英とアルカリ化学は基本的に相容れません。

石英-溶融シリカ-は、酸性の用途に最適な素材です。ほとんどの鉱酸に耐性があり、優れた耐熱衝撃性を備え、赤外線エネルギーを効率的に伝達します。これらの特性により、特に半導体や実験室での用途において、酸浴として一般的に選択されています。しかし、石英はシリカであり、シリカはアルカリ溶液に溶解します。溶解速度は、温度、pH、時間とともに増加します。高温のアルカリ洗浄槽では石英が消費されます。

石英の溶解の化学

水晶は二酸化ケイ素（SiO₂）です。水酸化物イオン (OH-) の存在下では、シリカは溶解して可溶性ケイ酸塩を形成します。

SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O

室温および中性 pH では反応は遅くなります。 75度、pH12以上でどんどん進行します。壁厚 2 mm の石英管は、高温のアルカリ浴中で 1 か月あたり 0.1 ～ 0.3 mm 減少する可能性があります。薄化は最初は均一で、その後壁が弱くなるにつれて加速します。チューブが用途の熱的および機械的ストレスに耐えられなくなると、故障が発生します。

PTFE 浸漬ヒーターは水酸化物イオンと反応しません。このポリマーは、あらゆる工業用濃度および温度にわたって、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、およびその他のアルカリ種に対して不活性です。同じアルカリ浴内の PTFE ヒーターは、数日ではなく数年持続します。

PTFE適合性と比較したアルカリ浴中での石英の腐食速度

酸処理に石英が使用される理由

シリカは低 pH 環境でも安定しているため、石英は酸の中でも良好に機能します。-塩酸、硫酸、硝酸、リン酸は、一般的な浸漬ヒーター温度では石英を攻撃しません。フッ化水素酸は例外です。-フッ化水素酸はシリカを急速に溶解します。そのため、HF サービスでは石英ヒーターが使用されません。

石英の熱特性は酸処理にも適しています。その熱伝導率は PTFE より約 1.4 W/m・K-高いですが、金属よりは低いです。熱膨張係数が非常に低いため、耐熱衝撃性に優れています。これらの特性により、石英ヒーターは互換性のある化学薬品において PTFE よりも高いワット密度で動作することができます。

酸性およびアルカリ性サービスにおける浸漬ヒーター材料のワット密度制限とコストの比較

アルカリ浴で石英を使用した場合の実際的な影響

アルカリ浴中での石英の故障の最初の兆候は、通常、チューブの外観の変化です。シリカが溶解すると、表面がつや消しになったり、エッチングされたりします。壁が薄くなる。チューブはより脆弱になり、機械的損傷を受けやすくなる可能性があります。

壁が薄くなると、熱抵抗が減少し、シース温度がわずかに低下します。最初はヒーターの性能が良くなったように見えるかもしれません。しかし、壁が要素を収容できなくなるまで、薄化は続きます。故障は多くの場合、突然発生します。-アルカリ溶液が発熱体に接触する亀裂や穴が発生します。

失敗は危険を伴う可能性があります。アルカリ溶液は導電性があります。溶液が通電中の要素に到達すると、短絡が発生します。地絡保護が作動するはずですが、作動しない場合はヒーターとタンクが損傷する可能性があります。

クォーツが正しい選択である場合

石英は、より高いワット密度とより低いコストが利点となる酸性バスに最適な選択肢です。一般的に次のような場所で使用されます。

希硫酸リンス槽

HFを含まない硝酸酸洗槽

リン酸洗浄液

純水リンスタンク

酸性化学薬品を使用した半導体ウェットベンチ

このような用途では、石英は優れた性能を発揮し、PTFE よりも安価です。制限となるのは、石英が溶解またはエッチングされるアルカリ化学物質および HF- を含む浴です。

PTFE がより良い選択である場合

PTFE は、アルカリ性浴、HF- を含む浴、および pH が酸性とアルカリ性の間で変動する可能性がある混合化学薬品に適した選択肢です。また、ヒーター表面に堆積物が形成され、アルカリ性または酸性の溶液で定期的に洗浄する必要がある、溶解固形物を多く含む浴槽にも適しています。

PTFE のワット密度が低いということは、同じ出力に対してより多くの表面積が必要になることを意味します。コンパクトなタンクでは、これが制限になる可能性があります。しかし、十分なスペースのあるタンクでは、PTFE の長い耐用年数と幅広い化学的適合性がサイズの欠点を上回ります。

どちらの材質も用途に合わない場合

用途によっては、石英も PTFE もうまく処理できない化学的性質がある場合があります。共通のヒーターを共有する酸性ステージと苛性ステージの両方を備えた洗浄ラインなど、強酸と強アルカリ性を交互に繰り返す浴-には、両方に耐性のある材料が必要です。- PTFE は、これを実現する唯一の一般的な浸漬ヒーター材料です。

低ワット密度、大きな表面積、密閉された端子筐体を備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成は、石英が故障しステンレス鋼が腐食する用途に対応します。仕様プロセスでは、浴の化学的性質、pH 範囲、動作温度、タンクの寸法、および必要なワット数が必要です。アルカリ性または混合化学浴を備えた施設では、このアプリケーション固有のアプローチにより、標準の材料では不十分な場合でも信頼性の高いサービスが提供されます。{2}