โรงงานเคมีแห่งหนึ่งใช้เครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ในอ่างกรดไฮโดรฟลูออริก 20% ที่อุณหภูมิ 50 องศาเป็นเวลาเกือบสี่ปี เครื่องทำความร้อนทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ และเมื่อเปลี่ยนในที่สุด ความล้มเหลวนั้นเกิดจาก-ขั้วต่อที่เสียหายจากข้อผิดพลาดในการบำรุงรักษา-ไม่ใช่สารเคมี โรงงานแห่งเดียวกันนี้ติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบเดียวกันในอ่างโซเดียมไฮดรอกไซด์ 25% ที่ 95 องศา มันล้มเหลวในห้าเดือน เคมีได้เปลี่ยนจากขั้วหนึ่งไปสู่อีกขั้วหนึ่ง และ PTFE ไม่สามารถจัดการทั้งสองอย่างได้
PTFE มักถูกอธิบายว่าเฉื่อยทางเคมีตลอดช่วง pH ทั้งหมด คำอธิบายนั้นถูกต้องสำหรับสภาวะส่วนใหญ่ แต่จะแยกย่อยที่ระดับสุดขั้ว-โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้มข้นที่ร้อน การทำความเข้าใจว่าเหตุใด PTFE จึงต้านทาน HF แต่ล้มเหลวในการกัดกร่อนแบบร้อนนั้น จำเป็นต้องพิจารณาถึงเคมีของโพลีเมอร์และกลไกที่สารเคมีสายพันธุ์ต่างๆ โจมตีโพลีเมอร์
เหตุใด PTFE จึงต้านทานกรดไฮโดรฟลูออริก
กรดไฮโดรฟลูออริกเป็นหนึ่งในสารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรงที่สุดในอุตสาหกรรม มันโจมตีแก้ว ควอทซ์ และโลหะส่วนใหญ่ มันแทรกซึมผิวหนังและทำลายกระดูก แต่ PTFE ก็จัดการได้อย่างง่ายดาย
สาเหตุก็คือพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีน PTFE เป็นสายโซ่ของอะตอมคาร์บอนที่ล้อมรอบด้วยอะตอมฟลูออรีน พันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนเป็นพันธะเดี่ยวที่แข็งแกร่งที่สุดในเคมีอินทรีย์ โดยมีพลังงานพันธะประมาณ 485 กิโลจูล/โมล HF ไม่มีพลังงานหรือกลไกทางเคมีที่จะทำลายพันธะนั้น
HF ยังไม่ละลายหรือบวม PTFE สายโซ่โพลีเมอร์อัดแน่น และอะตอมของฟลูออรีนป้องกันแกนหลักคาร์บอนจากการถูกโจมตี โมเลกุล HF สามารถซึมผ่านโพลีเมอร์ได้เมื่อเวลาผ่านไป แต่จะไม่ทำปฏิกิริยากับมัน อัตราการซึมผ่านจะช้าและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ- แต่ตัวโพลีเมอร์เองยังคงไม่บุบสลาย
เหตุใดจึงมีฤทธิ์กัดกร่อนเข้มข้นถึงโจมตี PTFE
โซเดียมไฮดรอกไซด์และเบสแก่อื่นๆ โจมตี PTFE ผ่านกลไกที่แตกต่างกัน ที่ความเข้มข้นสูงและอุณหภูมิสูง ไอออนของไฮดรอกไซด์สามารถทำให้พื้นผิวโพลีเมอร์ละลายฟลูออรีนได้ ปฏิกิริยานี้จะกำจัดอะตอมของฟลูออรีนออกจากห่วงโซ่คาร์บอน ทำให้เกิดพันธะไม่อิ่มตัวและตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยาซึ่งเสี่ยงต่อการถูกโจมตีเพิ่มเติม
ปฏิกิริยาจะช้าที่อุณหภูมิปานกลาง ที่ 60 องศาและ 10% NaOH การโจมตีไม่มีนัยสำคัญ ที่ 95 องศา และ NaOH 25% อัตราการขจัดฟลูออไรด์จะสามารถวัดได้ พื้นผิวโพลีเมอร์จะเปลี่ยนสี หยาบ และแตกในที่สุด การย่อยสลายจะจำกัดอยู่ที่พื้นผิวในช่วงแรก แต่เมื่อเวลาผ่านไปก็จะแทรกซึมลึกลงไปอีก
| ความเข้มข้นของสารกัดกร่อน | อุณหภูมิ | อัตราการโจมตี | ถึงเวลาที่มองเห็นความเสียหาย | ความเหมาะสมของ PTFE |
|---|---|---|---|---|
| นาโอห์ 5% | 60 องศา | เล็กน้อย | >5 ปี | ยอดเยี่ยม |
| นาโอห์ 10% | 80 องศา | ต่ำ | 2–4 ปี | ดี |
| นาโอห์ 20% | 90 องศา | ปานกลาง | 6–18 เดือน | ชายขอบ |
| นาโอห์ 25% | 95 องศา | สูง | 3–8 เดือน | ไม่แนะนำ |
| โซเดียม 30% | 100 องศา + | สูงมาก | 1–4 เดือน | ไม่เหมาะ |
อัตราการโจมตีด้วยสารกัดกร่อนของ PTFE ตามฟังก์ชันของความเข้มข้นและอุณหภูมิ
ความแตกต่างของการซึมผ่าน
HF และโซดาไฟยังแตกต่างกันในเรื่องวิธีการซึมผ่านของ PTFE โมเลกุล HF มีขนาดเล็กและมีขั้ว และกระจายผ่านโพลีเมอร์ในอัตราปานกลาง เมื่อผ่านเปลือกเข้าไป ก็จะไปถึงฉนวน MgO และลดความต้านทานของฉนวน ตัวโพลีเมอร์เองยังคงสภาพสมบูรณ์
สารละลายโซดาไฟประกอบด้วยไอออนไฮดรอกไซด์และน้ำ ไอออนของไฮดรอกไซด์มีขนาดใหญ่กว่าและเคลื่อนที่น้อยกว่า HF แต่จะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวโพลีเมอร์ในขณะที่ซึมเข้าไป ปฏิกิริยานี้จะสร้างชั้นที่เสื่อมสภาพซึ่งสามารถซึมผ่านได้มากกว่า PTFE ดั้งเดิม และเร่งการซึมผ่านเข้าไปอีก การรวมกันของการซึมผ่านและการโจมตีที่พื้นผิวทำให้เกิดการกัดกร่อนมากกว่า HF ที่อุณหภูมิเท่ากัน
เหตุใดอุณหภูมิจึงมีความสำคัญมากกว่าความเข้มข้น
การโจมตีของสารกัดกร่อนบน PTFE จะถูกกระตุ้นด้วยความร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศา จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยประมาณ การอาบน้ำที่อุณหภูมิ 95 องศาจะรุนแรงกว่าการอาบน้ำที่อุณหภูมิ 75 องศาประมาณสี่เท่า และรุนแรงกว่าการอาบน้ำที่อุณหภูมิ 65 องศาถึง 8 เท่า
นี่คือสาเหตุที่เครื่องทำความร้อน PTFE ซึ่งคงอยู่หลายปีที่ NaOH 20% ที่ 60 องศา อาจล้มเหลวที่ NaOH 20% ที่ 95 องศา ในเดือนนั้น ความเข้มข้นมีความสำคัญ แต่อุณหภูมิเป็นตัวแปรหลัก
อุณหภูมิของปลอกมีความสำคัญมากกว่าอุณหภูมิโดยรวม เครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิเทกอง 95 องศา โดยมีอุณหภูมิปลอกอยู่ที่ 110–120 องศา ทำให้โพลีเมอร์ได้รับอัตราการโจมตีสูงกว่าอุณหภูมิเทกองที่แนะนำสองถึงสี่เท่า การลดความหนาแน่นของวัตต์เพื่อลดอุณหภูมิของปลอกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการยืดอายุการใช้งานในสารกัดกร่อนร้อน
แนวทางปฏิบัติสำหรับการบริการโซดาไฟ
PTFE เหมาะสำหรับงานกัดกร่อนที่อุณหภูมิปานกลาง สำหรับอ่างที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 70 องศาและความเข้มข้นต่ำกว่า 15% เครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE จะทำงานได้ดีและมีอายุการใช้งานยาวนาน สำหรับอ่างที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 80 องศาหรือมีความเข้มข้นสูงกว่า 20% อายุการใช้งานจะสั้นลง และควรพิจารณาใช้วัสดุทดแทน
สำหรับสารกัดกร่อนเข้มข้นที่ร้อน สเตนเลส 316L หรือไททาเนียมอาจเหมาะสมกว่า PTFE หากอ่างไม่มีคลอไรด์ที่จะทำให้เกิดรูพรุน ในคลอไรด์-ที่มีสารกัดกร่อน ตัวเลือกวัสดุจะแคบลง และอาจจำเป็นต้องใช้โลหะผสมพิเศษ
| เงื่อนไขการให้บริการ | วัสดุที่แนะนำ | ความเหมาะสมของ PTFE | หมายเหตุ |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | ไฟเบอร์ | ยอดเยี่ยม | อายุการใช้งานยาวนาน |
| NaOH 10–15%, 60–75 องศา | ไฟเบอร์ | ดี | ตรวจสอบสภาพของฝัก |
| NaOH 15–20%, 75–85 องศา | PTFE หรือไทเทเนียม | ชายขอบ | พิจารณาทางเลือกอื่น |
| NaOH 20–25%, 85–95 องศา | ไทเทเนียมหรือ 316L | ไม่แนะนำ | PTFE เสื่อมสภาพ |
| >25% NaOH, >95 องศา | โลหะผสมพิเศษ | ไม่เหมาะ | ปรึกษาผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุ |
คำแนะนำวัสดุสำหรับการบริการกัดกร่อนที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่างๆ
เมื่อ PTFE เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม
PTFE เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับบริการกัดกร่อนที่อุณหภูมิปานกลาง สำหรับอ่างที่มีสารเคมีสลับกันระหว่างกรดและด่าง และสำหรับการใช้งานที่มี HF หรือกรดผสม ความทนทานต่อสารเคมีในวงกว้างทำให้เป็นตัวเลือกที่ปลอดภัยที่สุดเมื่อเคมีมีความไม่แน่นอนหรือแปรผัน
ในสารกัดกร่อนเข้มข้นที่ร้อน PTFE ถึงขีดจำกัดแล้ว โพลีเมอร์เสื่อมสภาพ ปลอกหุ้มใช้งานไม่ได้ และต้องเปลี่ยนเครื่องทำความร้อน การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า ปลอกหนาขึ้น และการเข้าถึงการไหลที่ดีขึ้น สามารถยืดอายุการใช้งานในสภาวะกัดกร่อนเล็กน้อย แต่ไม่สามารถเอาชนะความไม่เข้ากันขั้นพื้นฐานที่ปลายสุดของสเปกตรัมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้ กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้เคมีของอ่าง ความเข้มข้น อุณหภูมิ และประวัติความล้มเหลวของเครื่องทำความร้อนรุ่นก่อน
