Stresscracking-trusselen
Spenningssprekker i miljøet oppstår når en polymer under strekkspenning utsettes for et spesifikt kjemisk miljø. Kjemikaliet, som kanskje ikke har noen synlig effekt på den ubelastede polymeren, akselererer sprekkdannelse ved spenningskonsentrasjonspunkter. Sprekkene forplanter seg sakte gjennom materialet, og forårsaker til slutt sprø brudd ved belastninger langt under normal flytegrense.
Klorerte løsningsmidler-diklormetan, trikloretylen, perkloretylen-er kjente spenningscrackingsmidler for mange polymerer. Varmevekslerrør i løsemiddelbruk opplever strekkspenning fra internt damptrykk (bøylespenning) og fra begrenset termisk ekspansjon. Kombinasjonen av stress- og løsemiddeleksponering skaper forutsetninger for miljøspenningssprekker.
PCTFE (polyklortrifluoretylen) er en delvis fluorert polymer med repetisjonsenheten -CF₂-CFCl-. Den har høyere strekkfasthet og lavere kryp enn PTFE, noe som gjør den attraktiv for varmevekslerapplikasjoner. Imidlertid skiller dens motstand mot spenningssprekker i klorerte løsningsmidler seg fra PTFE på grunn av forskjeller i molekylstruktur og løsningsmiddelinteraksjon.
Stress Cracking Mechanism
Spenningssprekker starter når løsemiddelmolekyler trenger inn i mikroskopiske overflatedefekter-riper, hulrom eller krystallinske-amorfe grenser-ved punkter med strekkspenningskonsentrasjon. Det absorberte løsningsmidlet mykner polymeren lokalt, øker kjedemobiliteten og reduserer spenningen som kreves for kjedeklipping. Sprekkspissen går videre når polymerkjeder brister under kombinert påvirkning av stress og solvasjon.
PTFE er svært motstandsdyktig mot spenningssprekker fra klorerte løsningsmidler. De sterke C-F-bindingene, den tette fluorkappen rundt karbonryggraden og den lave løselighetsparameteren samsvarer med klorerte løsningsmidler, bidrar alle til denne motstanden. Klorerte løsemiddelmolekyler har begrenset evne til å penetrere PTFE-overflaten og enda mindre evne til å forstyrre polymerstrukturen når de først er inne.
PCTFE, med kloratomer som erstatter noen av fluoratomene i polymerkjeden, har en annen interaksjon med klorerte løsningsmidler. C-Cl-bindingen er mer polariserbar enn C-F-bindingen. Klorsubstituenten skaper en litt mer åpen polymerstruktur. Klorerte løsemidler trenger lettere inn i PCTFE enn PTFE og har en større mykgjørende effekt. Under strekkspenning er PCTFE mer utsatt for oppsprekking av miljøpåkjenninger i varme klorerte løsningsmidler enn PTFE.
| Spenningssprekkeparameter | PTFE | PCTFE |
|---|---|---|
| Polymer struktur | -CF₂-CF₂- | -CF₂-CFCl- |
| Løsemiddelgjennomtrengningsmotstand | Glimrende | God |
| Plastisering med klorerte løsningsmidler | Minimal | Moderat |
| Spenningssprekketerskelspenning i CH₂Cl₂ ved 80 grader (MPa) | >5 (ingen sprekker observert ved bruksbelastning) | 2-4 (sprekker observert) |
| Levetid i varme klorerte organiske stoffer under stress | 10+ år | 2-5 år |
| Feilmodus | Kryp (duktil) | Spenningssprekk (sprø) |
Samspillet mellom temperatur og stress
Spenningssprekkbarheten til PCTFE øker med temperatur og påført stress. Ved 60 grader kan PCTFE fungere i årevis uten å sprekke. Ved 80 grader, med bøylespenningen fra internt damptrykk (2-4 MPa), kan sprekkdannelse starte innen måneder. Ved 100 grader er rask sprekkdannelse sannsynlig.
PTFEs motstand mot spenningssprekker er effektivt uavhengig av temperatur opp til 260 grader. Den begrensende faktoren for PTFE i bruk av klorerte løsemidler er kryp under påført spenning, ikke spenningssprekker. Feilmodusen er duktil-røret deformeres sakte og brister til slutt etter å ha overskredet kryptøyningsgrensen-i stedet for sprø sprekkdannelse med liten advarsel.
Søknadsveiledningen
For varmevekslere i varmt klorert organisk bruk er PTFE det anbefalte materialet. Dens overlegne motstand mot spenningssprekker gir pålitelig-langsiktig ytelse. PCTFE bør begrenses til applikasjoner der klorerte løsningsmidler er fraværende, eller hvor driftstemperaturer er under 60 grader og stressnivået er lavt. Den høyere strekkfastheten til PCTFE kompenserer ikke for følsomheten for spenningssprekker i dette kjemiske miljøet.
Sammendrag
PTFE varmevekslerrør har betydelig bedre motstand mot spenningssprekker enn PCTFE i varme klorerte organiske løsemidler. PCTFEs klorsubstituent tillater større løsemiddelpenetrering og plastisering, noe som fører til sprø spenningssprekker under strekkbelastning ved temperaturer over 60 grader. PTFE er immun mot denne mekanismen og svikter bare ved forutsigbar duktil krypning. PTFE er det anbefalte materialet for varmevekslere i bruk med klorerte løsemidler.
Teknisk støtte for valg av polymer i løsningsmiddelservice er tilgjengelig ved innsending av løsningsmiddelidentitet, driftstemperatur, damptrykk og eventuell tidligere materialytelseshistorikk.
