Kas PVC-paagi vooderdiselt migreeruvate plastifikaatorite olemasolu kiirendab PFA-soojendi pinna pragunemist?

Tänu nende madalale hinnale ja tugevale keemilisele vastupidavusele erinevatele hapetele ja alustele kasutatakse PVC (polüvinüülkloriidist) mahutivooderdusi sageli keemilises töötlemises. Kuid PVC muudetakse paindlikuks plastifikaatorite, tavaliselt ftalaatide (DEHP, DINP, DIDP) või mitte-ftalaadi (DOA, TOTM) lisamisega. Need plastifikaatorid ei ole PVC-maatriksiga kovalentselt seotud ja neil on kalduvus aja jooksul pinnale migreeruda, eriti kõrgetel temperatuuridel (40–80 kraadi). Plastifikaatori migreerumine PFA-kuumutitest plastifitseeritud PVC{6}}vooderdusega paaki Kui PFA-kuumuti sukeldatakse plastifitseeritud PVC-vooderdusega paaki, migreeruvad plastifikaatorid läbi vedeliku ja adsorbeeruvad PFA-pinnale. Plastifikaatorid on madala molekulmassiga orgaanilised estrid, mis suurendavad PFA amorfseid osi, vähendades klaasistumistemperatuuri (Tg) ja suurendades keskkonnamõjude lõhenemist (ESC). Kiirendatud testimine näitas, et 70 kraadi juures migreeruvate ftalaatplastifikaatoritega kokkupuutel PFA-l tekivad pinnal praod 3–5 korda kiiremini kui plastifikaatorivabades tingimustes. Plastifikaatorite olemasolu PVC vooderdistest kiirendab PFA-soojendite pinna pragunemist, eriti suure vattihedusega töötamise (suurem kui 3 W/cm2 või sellega võrdne) või termilise tsükli ajal.

PFA ja plastifikaatori migratsioonimehhanismi koostoime
Plastifikaatorid migreeruvad PVC-st kolme mehhanismi kaudu: pinna difusioon (plastifikaator õitseb voodri pinnale ja lahustub protsessivedelikus), leostumine (plastifikaator ekstraheerub otse agressiivseteks lahustiteks või hapeteks) ja auru{0}}faasitransport (plastifikaator aurustub vooderdist ja kondenseerub jahedamatel pindadel, sealhulgas küttekeha külmadel sektsioonidel). Vedelikku sattumisel kogunevad plastifikaatorid. 1000-liitrise PVC voodriga paagi puhul 60 kraadi juures võib ftalaadi sisaldus vedelas faasis 6 kuu pärast jõuda 20{13}}100 ppm-ni. Plastifikaatori maksimaalne kontsentratsioon leitakse voodri pinna (piirkihi) lähedal, kuhu PFA-soojendi saab ühtlaseks kuumutamiseks paigutada. Plastifikaator tungib PFA pinnal polümeeri amorfsesse piirkonda. PFA on 40-50% amorfne. Plastifikaatorimolekulid (molekulmass 300–500 Da) dispergeerivad nendes amorfsetes piirkondades ja toimivad lahustina, mis lõhustab polümeeri ahelaid ja vähendab ahelatevahelist hõõrdumist. Amorfse faasi klaasistumistemperatuuri alandatakse umbes -15 kraadilt (puhas PFA) -30 kuni -40 kraadini (plastifitseeritud PFA). See suurendab paindlikkust toatemperatuuril, kuid suurendab ka polümeeri vastuvõtlikkust keskkonnamõjude pragunemisele, kuna amorfsed osad on nüüd söövitavate ainete poolt kergemini tunginud.

Keskkonnamõjude lõhenemine on siis, kui pingestatud polümeer (soojuspaisumise, rõhu või tootmisest tekkiva jääkpinge tõttu) puutub kokku pindaktiivse ainega (plastifikaatoriga). Plastifikaator vähendab pinnaenergiat, et hõlbustada murdude levikut, nii et praod levivad pingetel, mis on palju madalamad kui polümeeri tavaline voolavuspiir. ESC kriitiline pinge PFA-s 30% lämmastikhappes 80 kraadi juures ilma plastifikaatorita on 5–7 MPa. 50 ppm DEHP plastifikaatori juuresolekul väheneb kriitiline pinge 2-3 MPa-ni. Küttekeha, mille ääriku nurga jääkpinge on 4 MPa (tüüpiline terava nurgaga konstruktsioonile), ei pragune puhtas happes, kuid plastifikaatoriga saastunud happes praguneb see kuude jooksul.

Kiirendatud pragunemistesti tulemused
Plasticiser Type Concentration in Liquid (ppm) Temperature (° C)Time to First Visible Crack (PFA, 2 mm wall, 4 MPa applied stress) Cracking Rate vs. No Plasticiser Primary Mechanism None (control) 0 80 >5000 tundi (pragudeta) 1,0× ESC puudub DEHP (di-etüülheksüülftalaat)10 80 1,200-1800 tundi 3-4x amorfne paisumine + ESC DEHP 50 80 400-700 tundi 7-12x raske ESC
DEHP 100 80 150-300 tundi 15-30X Kiire pragunemine
DINP (di-isononüülftalaat) 50 80 500-900 tundi 6-10× Sarnane DEHP-ga
DIDP (di-isodetsüülftalaat) 50 80 600-1 000 tundi 5-8× Suurem molekul, aeglasem difusioon
DOA (dioktüüladipaat, mitte-ftalaat) 50 80 800–1200 tundi 4–6× Ei ole nii agressiivne kui ftalaadid
TOTM (trioktüültrimellitaat) 50 80 1,500–2500 tundi 2–3× Madal migratsioon, suurem molekul
Ftaalhape (plastifikaatori lagunemissaadused)10 80 2,000–3000 tundi 2× Vähem efektiivne kui algplastifikaator
Avastamine ja ennetamine
PFA-kuumuti plastifikaatoriga indutseeritud pragunemise näide: (1) Praod tekivad esmalt küttekeha küljel, mis puutub kokku PVC voodriga (kõige suurema plastifikaatori kontsentratsiooniga külg). (2) Praod on tavaliselt väikesed (0,1–0,5 mm sügavused), arvukad ja meelevaldselt orienteeritud (termilisest väsimuspraod on ümbermõõdud). (3) Adsorbeeritud plastifikaatori tõttu võib PFA pind katsudes tunduda veidi kleepuv või õline. (4) Plastifikaatori leostumise tõttu võib protsessivedelikul olla kõrge TOC (orgaaniline süsinik kokku). Analüüs kinnituseks: pühkige PFA pinda lahustiga niisutatud tampooniga (isopropanool) ja analüüsige GC{11}}MS abil ftalaatide või muude plastifikaatorite suhtes. Kui tuvastus on positiivne ja üle 10 µg/cm², tuvastatakse märkimisväärne plastifikaatori saastumine.

Ennetusstrateegiad: (1) Asendage PVC vooder plastifikaatorivaba voodriga (PP, PVDF, PFA või PTFE). Plastifikaatori-vaba PVC (jäik PVC, I tüüp) on saadaval, kuid sellel on väiksem keemiline vastupidavus ja vähem elastsus. 2) Plastifikaatoritõke: polüetüleenist või polüpropüleenist leht (1–2 mm) PVC voodri ja paagi sisu vahel. Seda tõket tuleb igal aastal uuendada. (3) Vedeliku suur voolavus: kui paagi vedelikku vahetatakse sageli (nt iga tsükkel värske lahusega partiirežiim), jääb plastifikaatori kontsentratsioon madalaks (<5 ppm) reducing danger substantially. (4) Use a heater with lower surface stress : radius all corners (see Article #62), anneal to relieve residual stress, and operate at lower watt density (<2.5 W/cm²). A stress-free PFA surface is significantly more resistant to ESC even in the presence of plasticisers. (5) Add a filter (activated charcoal or polymeric adsorbent) to the tank recirculation loop for continuous removal of plasticisers.

Kõige ökonoomsem pikaajaline lahendus olemasolevate PVC vooderdiste ja enneaegselt purunevate PFA-soojenditega paigaldiste puhul on PVC vooderdis asendamine PVDF-i või polüpropüleeniga (kui keemiline sobivus seda võimaldab). Voodri asendamise kulud (5000–15 000 fora2000Ltanki) kaetakse tavaliselt 2–3 aasta jooksul, kui küttekeha asendatakse vähem (5000–15 000 foorumit 2000L paaki). Tavaliselt kaetakse 2–3 aasta jooksul, kui küttekeha vahetatakse vähem (500–4 aastas 500–4).=1000–6000 dollarit aastas), millele lisandub väiksem seisakuaeg. Kui voodri asendamine ei ole otstarbekas, kaaluge metallist küttekeha (titaanist või Hastelloy), mis ei allu plastifikaatorite ESC-le. Titaankuumutid on 2-3 korda kallimad kui PFA, kuid võivad olla kuluefektiivsed, kui PFA-soojendid iga 3–6 kuu tagant plastifikaatori pragunemise tõttu üles ütlevad.

Järeldus: plastifikaatorid kiirendavad PFA pragunemist suurel määral
PVC-paagi vooderdistest migreeruvate plastifikaatorite olemasolu kiirendab PFA-kuumuti pindade pragunemist ja purunemiseni kuluv aeg lüheneb 3-30 korda, olenevalt plastifikaatori sisaldusest, temperatuurist ja soojendaja pingetasemest. Ftalaatplastifikaatorid (DEHP, DINP) on kõige agressiivsemad, tekitades keskkonnamõjude lõhenemist nii madalal rõhul kui 2–3 MPa. Plastifitseeritud PVC-vooderdusega paakides olevate PFA-soojendite kasutusiga tuleks lugeda oluliselt lühenevaks -, tavaliselt 6–18 kuud, mitte 3–5 aastat. Selle vältimiseks tuleb kõrvaldada plastifikaatori allikas (PVC vooder asendada plastifikaatorivaba materjaliga), paigaldada tõke või kasutada plastifikaatorite suhtes immuunset küttematerjali (titaan, kvarts, ränikarbiid). Olemasolevate PVC-vooderdistega paakide puhul peaksid PFA-soojendid määravad insenerid hõlmama plastifikaatori analüüsi protsessivedelikus ja kaaluma kiirendatud asendamise ajakavasid. PFA-soojendi, mis praguneb 4 aasta pärast puhtas happes, võib 4 kuu jooksul praguneda PVC vooderdist pärinevas samas happes, milles on 50 ppm DEHP. Ärge arvake, et PFA on "keemiliselt vastupidav", mistõttu on see vastupidav plastifikaatori poolt tekitatavale ESC-le. Plastifikaatorid ei ole kemikaalid, mis mõjutavad polümeeri karkassi, vaid kahjustavad füüsilist struktuuri ja PFA on haavatav.