Oksygen-beriket damptilstand
Industrielle dampsystemer inneholder vanligvis oppløst oksygen i deler-per-milliardnivåer, kontrollert av mekanisk avlufting og kjemisk oksygenoppfanging. Når avluftingsutstyret ikke fungerer eller tilførselen av oksygenoppfanger blir avbrutt, kan oppløst oksygen stige til nivåer-per-million. I noen spesialiserte prosesser tilsettes oksygen med vilje til damp for rengjøring eller passivering.
Dette oksygenet, ved de forhøyede damptemperaturene-130-200 grader avhengig av trykk, skaper et oksidativt miljø. Polymerer som er termisk stabile i inerte atmosfærer kan gjennomgå oksidativ nedbrytning i nærvær av oksygen. Nedbrytningsstarttemperaturen, og nedbrytningshastigheten over denne temperaturen, avhenger av polymerens molekylære struktur.
PTFE og FEP er begge perfluorerte polymerer og deler utmerket kjemisk motstand. Deres respons på forhøyet temperatur i nærvær av oksygen er imidlertid forskjellig på grunn av forskjeller i kjedearkitektur og krystallinitet. Å forstå denne forskjellen er viktig for varmevekslerapplikasjoner der dampkvalitetskontrollen er ufullkommen.
Forskjellen i oksidasjonskjemi
PTFE består av -CF₂-CF₂- gjentatte enheter. Polymerkjeden er fullstendig mettet med fluor. Det er ingen C-H-bindinger, ingen C-Cl-bindinger og ingen umettethet. C-F-bindingsdissosiasjonsenergien er omtrent 485 kJ/mol. Karbonryggraden er fullstendig skjermet av fluoratomene, som danner en tett spiralformet kappe rundt kjeden.
I nærvær av oksygen ved forhøyet temperatur, gjennomgår PTFE oksidativ nedbrytning bare ved temperaturer der C-C-ryggradsbindingene begynner å brytes-over omtrent 300 grader i luft. Oksydasjonsproduktene er karbonylfluorid (COF2) og trifluoracetylfluorid (CF3COF), som hydrolyserer til HF og CO2. Under 260 grader er hastigheten ubetydelig for praktisk utstyrs levetid.
FEP er en kopolymer av tetrafluoretylen og heksafluorpropylen. HFP-komonomeren introduserer -CF(CF₃)-CF₂--enheter, som skaper tertiære karbonsteder der karbonet er bundet til tre andre karboner og en CF₃-sidegruppe. Disse tertiære karbonstedene er mer utsatt for termisk og oksidativt angrep enn de sekundære karbonene i PTFE-kjeden. C-C-bindingen ved forgreningspunktet har litt lavere bindingsdissosiasjonsenergi. Den uregelmessige kjedestrukturen reduserer også krystalliniteten, og øker oksygengjennomtrengningen inn i de amorfe områdene.
| Parameter for termisk degradering | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Kjede struktur | Lineær -CF₂-CF₂- | Forgrenet med -CF(CF₃)-CF₂- enheter |
| Krystallinitet (%) | 50-70 | 30-45 |
| Begynnelse av målbart vekttap i luft (grad) | ~350 | ~300 |
| Kontinuerlig brukstemperatur i luft (grad) | 260 | 204 |
| Nedbrytningshastighet i damp med 1 ppm O₂ ved 200 grader (% massetap/1000 timer) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Nedbrytningshastighet i damp med 10 ppm O₂ ved 200 grader (% massetap/1000 timer) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktisk levetid i oksygen-anriket damp ved 180 grader (år) | 15+ | 5-10 |
Den amorfe fasens sårbarhet
Den lavere krystalliniteten til FEP betyr at en større del av polymeren eksisterer som amorfe fase-uordnede kjeder med høyere fritt volum. Oksygen trenger lettere gjennom de amorfe områdene. Kombinasjonen av høyere oksygenkonsentrasjon i polymeren og de mer reaktive tertiære karbonstedene gir en målbart raskere oksidativ nedbrytningshastighet.
I damp med normalt oppløst oksygen (<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.
Ved 200 grader med 10 ppm oppløst oksygen, mister FEP 0,2-0,5 % av massen sin per 1000 timer gjennom oksidativ kjedeklipping og utvikling av flyktige produkter. Over et 10 000 timers driftsår representerer dette 2-5 % massetap. PTFE under identiske forhold mister mindre enn 0,02 % per 1000 timer - en 10-25 ganger langsommere nedbrytningshastighet.
Designimplikasjonen
For dampsystemer med pålitelig avlufting og oksygenfjerning gir -normen i godt-industrielle anlegg- både PTFE og FEP tilstrekkelig levetid. FEPs lavere kostnader og sveisbarhet kan favorisere det i disse applikasjonene.
For dampsystemer med kjente oksygenavvik, for prosesser der oksygen med vilje er tilstede i dampen, eller for applikasjoner der dampkvaliteten ikke er nøye kontrollert, gjør PTFEs overlegne oksidative stabilitet det til det lavere-risikovalget. Temperaturgrensen for PTFE i oksygen-anriket damp kan opprettholdes ved 260 grader; FEPs praktiske grense bør reduseres til omtrent 180 grader.
Sammendrag
PTFE-varmevekslerrør viser betydelig bedre motstand mot oksidativ termisk nedbrytning enn FEP i oksygen-anriket damp, på grunn av fraværet av tertiære karbonsteder, den sterkere skjermingen av karbonryggraden av fluorkappen, og høyere krystallinitet som reduserer oksygengjennomtrengning. I normal damp med lavt oppløst oksygen fungerer begge polymerene tilstrekkelig. I oksygen-anriket damp brytes PTFE ned 10-25× langsommere enn FEP og opprettholder sin fulle temperaturklassifisering, mens FEPs praktiske temperaturgrense bør reduseres.
Teknisk støtte for valg av fluorpolymermateriale under spesifikke dampkvalitetsforhold er tilgjengelig ved innsending av damptrykk, konsentrasjon av oppløst oksygen (normal og ekskursjon) og nødvendig utstyrs levetid.
