ชั้น PFA ที่ตกผลึกใหม่สามารถให้ประสิทธิภาพการกั้นที่ดีกว่ากับไอกรดไฮโดรฟลูออริกได้ดีกว่า PFA บริสุทธิ์หรือไม่

ไอกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) นำเสนอความท้าทายในการซึมผ่านที่ไม่เหมือนใครสำหรับเปลือกฮีตเตอร์ฟลูออโรโพลีเมอร์ แตกต่างจากของเหลว HF ซึ่งขยาย PFA ปานกลาง โมเลกุลของไอ HF มีขนาดเล็ก มีขั้วสูงและกระจายผ่านบริเวณอสัณฐานของโพลีเมอร์ได้อย่างง่ายดาย PFA บริสุทธิ์-แบบอัดรีดหรือขึ้นรูป-มีความเป็นผลึกโดยทั่วไปที่ 35–45% โดยปริมาตรที่เหลือจะถูกครอบครองโดยบริเวณอสัณฐานที่ทำหน้าที่เป็นวิถีการแพร่กระจาย ชั้น PFA ที่ตกผลึกซ้ำ ซึ่งผลิตโดยการหลอมด้วยความร้อนที่ควบคุมซึ่งจะเพิ่มความตกผลึกเป็น 55–65% ในทางทฤษฎีมีความสามารถในการซึมผ่านที่ต่ำกว่า เนื่องจากปริมาตรอสัณฐานที่ลดลงทำให้เส้นทางการแพร่กระจายของไอน้อยลง ไม่ว่าสิ่งนี้จะแปลเป็นการปรับปรุงสิ่งกีดขวางที่สำคัญสำหรับไอ HF หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการหลอมอ่อน สัณฐานวิทยาของผลึกที่เกิดขึ้น และอุณหภูมิในการให้บริการ

ทฤษฎีความเป็นผลึกและการซึมผ่านของไอ HF

ค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่าน (P) ของโพลีเมอร์กึ่งผลึกเป็นไปตามบันทึกความสัมพันธ์ P=log P_amorphous - × X_c โดยที่ X_c คือความเป็นผลึกของเศษส่วนตามปริมาตรและเป็นค่าคงที่ซึ่งขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่แทรกซึม สำหรับไอ HF ใน PFA มีค่าประมาณ 0.025–0.030 การเพิ่มความเป็นผลึกจาก 40% เป็น 60% ลดการซึมผ่านได้ประมาณ 2.5–3.0 เท่า ในทางปฏิบัติ ผนัง PFA บริสุทธิ์ที่มีความหนา 1.5 มม. ที่ 80 องศา มีอัตราการซึมผ่านของไอ HF อยู่ที่ 0.8–1.2 กรัม/ตร.ม.·วัน ผนัง PFA ตกผลึกใหม่ที่มีความเป็นผลึก 60% ช่วยลดอัตราลงเหลือ 0.3–0.5 กรัม/ตร.ม.·วัน การปรับปรุงนี้มีความสำคัญสำหรับการใช้งานที่ไอ HF สัมผัสกับเครื่องทำความร้อนอย่างต่อเนื่อง เช่น เครื่องมือกัดเฟสไอ- หรือถังเก็บ HF ที่ให้ความร้อนพร้อมช่องไอ

อย่างไรก็ตาม กระบวนการตกผลึกซ้ำทำให้เกิดปัจจัยที่ซับซ้อนสองประการ ขั้นแรก การอบอ่อน PFA ที่ 240–260 องศาเป็นเวลา 4–8 ชั่วโมงเพื่อเพิ่มความเป็นผลึกยังทำให้เกิดการหดตัว (เส้นตรง 1–3%) หากชั้นที่ตกผลึกใหม่เป็นการเคลือบบนแกนฮีตเตอร์โลหะ การหดตัวจะทำให้เกิดความเค้นดึงตกค้างที่ส่วนต่อประสาน ความเครียดนี้สามารถเริ่มต้นรอยแตกขนาดเล็กในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อน ซึ่งสร้างเส้นทางบายพาสสำหรับไอ HF ซึ่งจะลบล้างประโยชน์ของสิ่งกีดขวาง ประการที่สอง การตกผลึกซ้ำจะเพิ่มขนาดของสเฟอร์รูไลต์ (มวลรวมของผลึก) จาก 5–15 µm เป็น 20–50 µm ขอบเขตระหว่างสเฟียรูไลต์นั้นไม่มีรูปร่างและสามารถทำหน้าที่เป็นช่องทางการแพร่กระจายที่รวดเร็วหากการหลอมไม่ได้รับการควบคุมอย่างสมบูรณ์ PFA ที่มีการตกผลึกใหม่ไม่ดีอาจมีความเป็นผลึกที่ชัดเจนสูงกว่า แต่ประสิทธิภาพของสิ่งกีดขวางต่ำกว่า เนื่องจากมีเครือข่ายของวิถี-วิถีอสัณฐานทรงกลมระหว่างกัน

การเปรียบเทียบการทดลอง: เวอร์จิ้นกับการตกผลึกซ้ำ

การทดสอบการซึมผ่านที่ควบคุมโดยใช้เซลล์ไอ HF มาตรฐาน (60 องศา HF 10% ในไอน้ำ ความหนาของผนัง 1.5 มม.) แสดงผลลัพธ์ดังต่อไปนี้ PFA บริสุทธิ์ (ความเป็นผลึก 42% โดย DSC) มีการซึมผ่านในสถานะ-คงที่หลังจาก 48 ชั่วโมง โดยมีฟลักซ์ 1.05 กรัม/ตรม.·วัน PFA ที่ตกผลึกซ้ำ (ความเป็นผลึก 58% ทำได้โดยการอบอ่อนที่ 250 องศาเป็นเวลา 6 ชั่วโมง) จะถึงสถานะคงที่-หลังจากผ่านไป 72 ชั่วโมง โดยมีฟลักซ์ 0.40 กรัม/ตร.ม.วัน- ซึ่งลดลง 62% หลังจากการสัมผัสกับไอ HF อย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง ตัวอย่างบริสุทธิ์จะแสดงพื้นผิวที่ขาวขึ้น (การเกิดไมโครโมฆะ) ที่ระดับความลึก 0.2 มม. ในขณะที่ตัวอย่างที่ตกผลึกใหม่จะแสดงการฟอกสีฟันที่ความลึกเพียง 0.05 มม. วัสดุที่ตกผลึกใหม่ยังคงรักษาความต้านทานแรงดึงเดิมไว้ได้ 95% เทียบกับ 85% สำหรับ PFA บริสุทธิ์หลังจากได้รับสัมผัสเดียวกัน

การทดสอบการหมุนเวียนด้วยความร้อน (500 รอบ จาก 25 องศา ถึง 90 องศา ) จะเปลี่ยนอันดับ หลังจากการปั่นจักรยาน ตัวอย่างที่ตกผลึกใหม่จะแสดงอัตราการซึมผ่าน 0.65 กรัม/ตร.ม.·วัน- ซึ่งสูงกว่าค่าการปั่นจักรยานก่อน- และใกล้กับวัสดุบริสุทธิ์มากขึ้น (0.85 กรัม/ตร.ม.·วัน หลังจากการปั่นจักรยาน) การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเผยให้เห็นรอยแตกขนาดเล็กที่ขอบเขตสเฟอร์รูไลต์ในตัวอย่างที่ตกผลึกใหม่ ในขณะที่ตัวอย่างบริสุทธิ์จะไม่เกิดรอยแตกร้าว ความเครียดจากการหมุนเวียนเนื่องจากความร้อน ซึ่งเกิดจากการขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างแกนโลหะและ PFA จะทำให้เกิดรอยร้าวในขอบเขตสเฟียรูไลต์ที่ใหญ่ขึ้นในวัสดุที่ตกผลึกใหม่เป็นพิเศษ สำหรับการใช้งานที่มีการหมุนเวียนความร้อนน้อยที่สุด (น้อยกว่า 100 รอบต่อปี) PFA ที่ผ่านการตกผลึกใหม่จะให้ประสิทธิภาพของแผงกั้นที่เหนือกว่า สำหรับการหมุนเวียนด้วยความร้อนบ่อยครั้ง (มากกว่า 500 รอบต่อปี) ความตกผลึกเริ่มต้นที่ต่ำกว่าและสเฟียรูไลต์ที่เล็กกว่าของวัสดุบริสุทธิ์จะให้ประสิทธิภาพการป้องกันในระยะยาว-ที่ดีกว่า เนื่องจากยังคงปราศจากการแตกร้าว-

การสมัคร-คู่มือการเปรียบเทียบเฉพาะ

ข้อควรพิจารณาในการปฏิบัติจริง

การผลิตชั้น PFA ที่ตกผลึกซ้ำบนฮีตเตอร์ที่มีอยู่ไม่ใช่การดำเนินการภาคสนาม ต้องใช้การอบอ่อนอย่างระมัดระวังของชุดเครื่องทำความร้อนที่เสร็จสมบูรณ์ที่อุณหภูมิซึ่งอาจส่งผลต่ออุณหภูมิของแกนโลหะหรือการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า วงจรการหลอมต้องรวมถึงการทำความร้อนช้า (10 องศาต่อชั่วโมง) และการทำความเย็น (5 องศาต่อชั่วโมง) เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความเครียดจากความร้อน สำหรับการผลิตเครื่องทำความร้อนใหม่ การตกผลึกซ้ำสามารถทำได้โดยการอบอ่อนหลัง-การอัดขึ้นรูปของท่อ PFA ก่อนการประกอบเข้ากับแกน หรือโดยการหลอมส่วนประกอบทั้งหมดหลังการห่อหุ้ม วิธีหลังนี้เสี่ยงต่อความเครียดตกค้างจากการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน วิธีที่แนะนำคือการหลอมท่อ PFA แยกกัน จากนั้นประกอบเข้ากับแกนโดยใช้กระบวนการขยายหรือหดตัวทางกล- ซึ่งจะทำให้ได้ท่อที่มีความเป็นผลึก 55–60% และไม่มีความเครียดจากการสัมผัส โดยทั่วไปค่าใช้จ่ายพรีเมียมสำหรับเครื่องทำความร้อน PFA ที่ตกผลึกใหม่จะสูงกว่าวัสดุบริสุทธิ์ประมาณ 20–40% เนื่องจากต้องใช้เวลาในการประมวลผลเพิ่มเติมและการควบคุมคุณภาพที่เข้มงวดยิ่งขึ้น

สำหรับการใช้งานไอ HF ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่มีการหมุนเวียนความร้อนปานกลาง (สูงสุด 200 รอบต่อปี) ประสิทธิภาพการกั้นที่ได้รับการปรับปรุงของ PFA ที่ตกผลึกใหม่จะพิสูจน์ความพรีเมียมได้ เวลาที่ขยายออกไปถึงระดับการซึมผ่านที่สำคัญ (เช่น 2,000 ชั่วโมง เทียบกับ . 1, 200 ชั่วโมงสำหรับบริสุทธิ์) ช่วยลดความถี่ในการบำรุงรักษาและลดความเสี่ยงของการกัดกร่อนของแกนโลหะ สำหรับการใช้งานที่มีการหมุนเวียนด้วยความร้อนบ่อยครั้ง การสั่นสะเทือนทางกล หรือความเสี่ยงต่อการทำงานแบบแห้ง PFA บริสุทธิ์ยังคงเป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งกว่า แม้จะมีการซึมผ่านพื้นฐานที่สูงกว่าก็ตาม วิศวกรควรขอข้อมูลความเป็นผลึก (โดย DSC) จากผู้ผลิต โดยระบุเป้าหมายที่ 55–60% สำหรับวัสดุที่ตกผลึกซ้ำ และ 35–45% สำหรับบริสุทธิ์ ควรมีใบรับรองอุณหภูมิและระยะเวลาในการอบอ่อนพร้อมกับเครื่องทำความร้อนแต่ละเครื่อง

สรุป: PFA ที่ตกผลึกใหม่จะได้ชัยชนะสำหรับบริการไอ HF สถานะคงที่-

ชั้น PFA ที่ตกผลึกใหม่ให้ประสิทธิภาพการกั้นที่ดีกว่า 50–70% ต่อไอกรดไฮโดรฟลูออริกมากกว่า PFA บริสุทธิ์ภายใต้สภาวะการปั่นจักรยาน-อุณหภูมิคงที่และต่ำ- ความเป็นผลึกที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดปริมาตรอสัณฐานสำหรับการแพร่กระจายของไอ ทำให้อัตราการซึมผ่านลดลงจากประมาณ 1.0 กรัม/ตร.ม.·วัน เป็น 0.4 ก./ตร.ม.·วัน สำหรับผนัง 1.5 มม. อย่างไรก็ตาม สเฟียรูไลต์ขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการตกผลึกซ้ำนั้นไวต่อการเกิดรอยแตกขนาดเล็กภายใต้การหมุนเวียนของความร้อนหรือความเครียดเชิงกล ซึ่งกัดกร่อนข้อได้เปรียบของสิ่งกีดขวาง สำหรับการใช้งานไอ HF อย่างต่อเนื่องโดยมีอุณหภูมิคงที่ (เช่น ถังเก็บความร้อน ท่อส่งไอ) PFA ที่ตกผลึกใหม่คือตัวเลือกที่ดีกว่า สำหรับเครื่องทำความร้อนที่หมุนเวียนทุกวันหรือประสบกับการสั่นสะเทือน PFA บริสุทธิ์จะให้ประสิทธิภาพในระยะยาว-ที่เชื่อถือได้มากกว่า การตัดสินใจควรขึ้นอยู่กับจำนวนรอบความร้อนที่คาดหวังตลอดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน ไม่ใช่ข้อมูลการซึมผ่านเพียงอย่างเดียว เมื่อมีข้อสงสัย การระบุผนัง PFA บริสุทธิ์ที่หนาขึ้น (2.5–3.0 มม.) จะทำให้ได้รับการปรับปรุงสิ่งกีดขวางที่คล้ายกัน โดยไม่มีความเสี่ยงในการแตกร้าวของวัสดุที่ตกผลึกซ้ำด้วยต้นทุนที่เทียบเคียงได้หรือต่ำกว่า