Den iltberigede-damptilstand
Industrielle dampsystemer indeholder normalt opløst oxygen i dele-pr.-milliardniveauer, styret af mekanisk afluftning og kemisk oxygenopfangning. Når udluftningsudstyret fejler, eller tilførslen af iltfjerner afbrydes, kan opløst ilt stige til niveauer -per-million. I nogle specialiserede processer tilsættes ilt med vilje til damp til rengøring eller passivering.
Denne oxygen, ved de forhøjede temperaturer af damp-130-200 grader afhængigt af tryk, skaber et oxidativt miljø. Polymerer, der er termisk stabile i inerte atmosfærer, kan undergå oxidativ nedbrydning i nærvær af oxygen. Nedbrydningsstarttemperaturen og nedbrydningshastigheden over denne temperatur afhænger af polymerens molekylære struktur.
PTFE og FEP er begge perfluorerede polymerer og deler fremragende kemisk resistens. Deres reaktion på forhøjet temperatur i nærvær af oxygen er imidlertid forskellig på grund af forskelle i kædearkitektur og krystallinitet. Det er vigtigt at forstå denne forskel for varmevekslerapplikationer, hvor dampkvalitetskontrol er ufuldkommen.
Oxidationskemiforskellen
PTFE består af -CF₂-CF₂- gentagelsesenheder. Polymerkæden er fuldt mættet med fluor. Der er ingen C-H-bindinger, ingen C-Cl-bindinger og ingen umættethed. C-F-bindingsdissociationsenergien er ca. 485 kJ/mol. Kulstofrygraden er fuldstændig afskærmet af fluoratomerne, som danner en tæt spiralformet kappe rundt om kæden.
I nærvær af oxygen ved forhøjet temperatur undergår PTFE kun oxidativ nedbrydning ved temperaturer, hvor C-C-rygradsbindingerne begynder at bryde-over ca. 300 grader i luft. Oxidationsprodukterne er carbonylfluorid (COF2) og trifluoracetylfluorid (CF3COF), som hydrolyserer til HF og CO2. Under 260 grader er hastigheden ubetydelig for praktisk udstyrs levetid.
FEP er en copolymer af tetrafluorethylen og hexafluorpropylen. HFP-comonomeren introducerer -CF(CF₃)-CF₂--enheder, som skaber tertiære carbonsteder, hvor carbonet er bundet til tre andre carbonatomer og en CF₃-sidegruppe. Disse tertiære carbonsteder er mere modtagelige for termisk og oxidativt angreb end de sekundære carboner i PTFE-kæden. C-C-bindingen ved forgreningspunktet har lidt lavere bindingsdissociationsenergi. Den uregelmæssige kædestruktur reducerer også krystallinitet, hvilket øger oxygengennemtrængning i de amorfe områder.
| Parameter for termisk nedbrydning | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Kæde struktur | Lineær -CF₂-CF₂- | Forgrenet med -CF(CF₃)-CF₂- enheder |
| Krystallinitet (%) | 50-70 | 30-45 |
| Begyndelse af målbart vægttab i luft (grad) | ~350 | ~300 |
| Kontinuerlig driftstemperatur i luft (grad) | 260 | 204 |
| Nedbrydningshastighed i damp med 1 ppm O₂ ved 200 grader (% massetab/1.000 timer) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Nedbrydningshastighed i damp med 10 ppm O₂ ved 200 grader (% massetab/1.000 timer) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktisk levetid i iltberiget-damp ved 180 grader (år) | 15+ | 5-10 |
Den amorfe fases sårbarhed
Den lavere krystallinitet af FEP betyder, at en større del af polymeren eksisterer som amorfe fase-uordnede kæder med højere frit volumen. Ilt trænger lettere gennem de amorfe områder. Kombinationen af højere oxygenkoncentration i polymeren og de mere reaktive tertiære carbonsteder frembringer en målbart hurtigere oxidativ nedbrydningshastighed.
I damp med normalt opløst ilt (<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 opløst oxygen mister FEP 0,2-0,5 % af sin masse pr. 1.000 timer gennem oxidativ kædespaltning og udvikling af flygtige produkter. Over et 10.000 timers driftsår repræsenterer dette 2-5 % massetab. PTFE under identiske forhold taber mindre end 0,02% pr. 1.000 timer - en 10-25 gange langsommere nedbrydningshastighed.
Designimplikationen
For dampsystemer med pålidelig afluftning og iltopfangning giver -normen i vel-drevne industrianlæg-både PTFE og FEP tilstrækkelig levetid. FEP's lavere omkostninger og svejsbarhed kan begunstige det i disse applikationer.
Til dampsystemer med kendte iltudsving, til processer, hvor ilt bevidst er til stede i dampen, eller til applikationer, hvor dampkvaliteten ikke er nøje kontrolleret, gør PTFE's overlegne oxidative stabilitet det til det lavere-risikovalg. Temperaturgrænsen for PTFE i oxygenberiget-damp kan holdes ved 260 grader; FEP's praktiske grænse bør nedsættes til ca. 180 grader.
Oversigt
PTFE-varmevekslerrør udviser væsentligt bedre modstandsdygtighed over for oxidativ termisk nedbrydning end FEP i oxygenberiget-damp på grund af fraværet af tertiære kulstofsteder, den stærkere afskærmning af kulstofrygraden af fluorkappen og højere krystallinitet, der reducerer oxygengennemtrængning. I normal damp med lavt opløst oxygen fungerer begge polymerer tilstrækkeligt. I oxygenberiget-damp nedbrydes PTFE 10-25× langsommere end FEP og bevarer sin fulde temperaturklassificering, mens FEP's praktiske temperaturgrænse bør reduceres.
Teknisk support til valg af fluorpolymermateriale under specifikke dampkvalitetsforhold er tilgængelig ved indsendelse af damptryk, koncentration af opløst ilt (normal og udsving) og påkrævet udstyrs levetid.
