Điều gì làm cho bề mặt lò sưởi ngâm PTFE cứng lại và nứt trong axit nitric nóng?

Một nhà máy hóa chất đã sử dụng lò sưởi ngâm PTFE từ bể axit nitric 30% ở nhiệt độ 85 độ sau năm tháng sử dụng. Bề mặt của bộ sưởi có các vết nứt nhỏ, giao nhau-hình dạng điên cuồng-trên toàn bộ phần được làm nóng. PTFE có cảm giác cứng và giòn, không mềm và dẻo như bình thường. Điện trở cách điện đã giảm từ 500 MΩ xuống 30 MΩ. Axit nitric đã oxy hóa polyme, làm giòn bề mặt và khiến nó bị nứt.

Axit nitric nóng là một trong những axit oxy hóa mạnh nhất đối với PTFE. Ở nhiệt độ vừa phải, tốc độ oxy hóa chậm và PTFE vẫn linh hoạt. Ở nhiệt độ cao-trên 80 độ -tốc độ oxy hóa tăng nhanh và bề mặt polyme bắt đầu phân hủy. Các chuỗi polymer bị đứt và bề mặt trở nên cứng và giòn.

Axit Nitric làm giòn PTFE như thế nào

Axit nitric oxy hóa PTFE ở đầu chuỗi và tại các khiếm khuyết về cấu trúc trong polyme. Quá trình oxy hóa tạo ra cacbonyl florua và các chất bị oxy hóa khác phá vỡ chuỗi polyme. Sự phân mảnh chuỗi làm giảm trọng lượng phân tử của polyme và độ bền cơ học của nó.

Lớp bề mặt bị oxy hóa có các tính chất khác với lớp polyme số lượng lớn. Nó cứng hơn, giòn hơn và kém linh hoạt hơn. Khi lò sưởi quay vòng nhiệt, bề mặt giòn không thể chịu được lực căng. Nó nứt.

Nồng độ axit nitric và ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ giòn của PTFE

Tại sao các vết nứt tạo thành một hình dạng điên cuồng

Kiểu rạn nứt-các vết nứt mịn, giao nhau{1}}là đặc trưng của lớp bề mặt giòn trên nền dẻo. Khi lò sưởi nóng lên, vỏ kim loại giãn nở và lớp bề mặt giòn phải giãn ra để thích ứng với sự giãn nở. Nếu lớp bề mặt không thể căng ra thì nó sẽ bị nứt. Các vết nứt hình thành theo kiểu ngẫu nhiên vì lớp bề mặt đồng nhất và ứng suất được phân bố.

Kiểu rạn nứt khác với các vết nứt do mỏi nhiệt hoặc hư hỏng cơ học. Các vết nứt do mỏi nhiệt thường tập trung tại các điểm ứng suất. Các vết nứt hư hỏng cơ học được cục bộ hóa. Các vết nứt rạn nứt được phân bổ trên toàn bộ bề mặt bị ảnh hưởng.

Tại sao dịch vụ axit nitric nóng lại đặc biệt đòi hỏi

Axit nitric là một axit có tính oxi hóa. Khả năng oxy hóa tăng theo nồng độ và nhiệt độ. Ở nồng độ 85 độ và 30%, tốc độ oxy hóa đủ cao để làm giòn bề mặt PTFE trong vòng vài tháng.

Axit nitric cũng thấm vào PTFE. Tốc độ thẩm thấu tăng theo nhiệt độ. Axit chạm tới lớp cách điện bên trong sẽ làm giảm điện trở cách điện. Sự kết hợp giữa độ giòn bề mặt và sự thẩm thấu bên trong làm cho bộ gia nhiệt bị hỏng nhanh hơn so với chỉ riêng một trong hai cơ chế.

Ngăn ngừa sự giòn bề mặt trong axit nitric nóng

Cách phòng ngừa hiệu quả nhất là giảm nhiệt độ bề mặt. Mật độ watt thấp hơn-0,8–1,0 W/cm²-giữ nhiệt độ bề mặt trong phạm vi có tốc độ oxy hóa thấp. Máy sưởi ở mức 0,9 W/cm2 có thể chạy mát hơn 10–15 độ so với máy có công suất 1,4 W/cm2, điều này có thể tăng gấp đôi thời gian để làm cứng bề mặt.

Lớp phủ PTFE dày hơn cung cấp nhiều vật liệu hơn để hấp thụ quá trình oxy hóa. Lớp bề mặt bị oxy hóa là hy sinh. Lớp phủ dày hơn có nhiều polymer hơn bên dưới lớp oxy hóa, do đó lò sưởi giữ được đặc tính rào cản lâu hơn.

Khoảng thời gian bảo trì ngắn hơn để kiểm tra và thay thế là một cách tiếp cận thực tế. Khi sử dụng axit nitric nóng, bộ gia nhiệt phải được kiểm tra 2–3 tháng một lần. Nếu phát hiện thấy bề mặt cứng lại, nên thay bộ gia nhiệt trước khi các vết nứt xuyên qua lớp phủ.

Các biện pháp phòng ngừa hiện tượng giòn bề mặt trong axit nitric nóng

Khi độ giòn bề mặt cho thấy có vấn đề về thiết kế

Lò sưởi bị giòn và nứt mặc dù mật độ watt thấp và lớp phủ dày cho thấy rằng vật liệu hoặc thiết kế của lò sưởi không phù hợp với dịch vụ axit nitric nóng. Cấu hình lò sưởi ngâm PTFE tùy chỉnh có mật độ watt rất thấp, lớp phủ dày và cấp độ-polyme chịu nhiệt độ sẽ giải quyết nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng giòn. Quá trình đặc tả yêu cầu nồng độ axit nitric, nhiệt độ vận hành và công suất yêu cầu. Đối với các cơ sở có bể chứa axit nitric nóng, phương pháp tiếp cận-dành riêng cho ứng dụng này giúp giảm độ giòn trên bề mặt và kéo dài tuổi thọ sử dụng của lò sưởi.