Феноменът на втвърдяване
PTFE топлообменник в система за възстановяване на разтворител обработва дихлорометан при 120 градуса. След 18 месеца експлоатация, тръбите, които първоначално бяха гъвкави и пластични, станаха забележимо по-твърди. Ръчното огъване произвежда пукащ звук. Тест за огъване на отстранена проба от тръба показва намалено удължение при скъсване. Материалът се е втвърдил-признак на прогресивно разграждане, което в крайна сметка ще доведе до крехко счупване.
PTFE се счита за химически инертен към хлорирани разтворители. Стандартните диаграми за съвместимост не показват реакция. И все пак втвърдяването е реално и измеримо. Механизмът не е химическо разграждане в смисъл на разкъсване на връзката, а физическо стареене, ускорено от средата на разтворителя-комбинация от-индуцирана от разтворител кристализация и загуба на фракции с-молекулно-тегло от полимера.
Механизмът за двойно втвърдяване
Два механизма допринасят за втвърдяването на PTFE в горещи хлорирани разтворители. И двете са физически, а не химични-молекулярната структура на полимера остава непокътната, но физическото му състояние се променя.
Кристализация,-предизвикана от разтворител: Хлорираните разтворители се абсорбират в аморфните области на PTFE. Абсорбираните молекули на разтворителя увеличават подвижността на полимерните вериги в аморфната фаза. Мобилизираните вериги могат да се реорганизират в по-подредени, кристални подредби. Кристалността на PTFE се увеличава-от 50-55% при производството до 60-70% след продължително излагане на разтворител при повишена температура. По-високата кристалност означава по-твърд, по-малко пластичен материал.
Екстракция на видове с ниско-молекулно-тегло: PTFE съдържа малка фракция (1-3%) полимерни вериги и олигомери с ниско-молекулно-тегло. Тези видове действат като вътрешни пластификатори, допринасяйки за гъвкавостта на материала. Горещи хлорирани разтворители могат бавно да извлекат тези видове от полимерната матрица. Загубата на пластифициращата фракция прави останалия полимер с високо-молекулярно тегло по-твърд и по-крехък.
| Материална собственост | Както-Произведен PTFE | След 18 месеца в CH₂Cl₂ при 120 градуса | След 36 месеца |
|---|---|---|---|
| Кристалност (%) | 52 | 64 | 68 |
| Якост на опън (MPa) | 28 | 32 (леко увеличение) | 35 (крехък) |
| Удължение при скъсване (%) | 280 | 120 | 40 |
| Модул на огъване (MPa) | 500 | 850 | 1,200 |
| Визуален външен вид | Бял, непрозрачен | Бяло, малко по-прозрачно | Виждат се бели повърхностни микро{0}}пукнатини |
| Ръчен тест за огъване | Гъвкав; няма напукване | По-твърда; леко пращене | чуплива; пукнатини при огъване |
Температурната зависимост
Скоростта на втвърдяване се увеличава с температурата. При 80 градуса ефектите са бавни-измеримите промени може да отнеме 5-10 години. При 120 градуса ефектите са значителни в рамките на 18-36 месеца. При 150 градуса може да настъпи бързо втвърдяване в рамките на 6-12 месеца.
Връзката между температурата и скоростта на втвърдяване следва кинетиката на Arrhenius с енергия на активиране приблизително 40-60 kJ/mol. Това позволява прогнозиране на експлоатационния живот при различни температури въз основа на ускорено тестване при по-високи температури. Тръба, която се втвърдява до прага на повреда за 1000 часа при 150 градуса, ще отнеме приблизително 8000 часа при 120 градуса и 30 000 часа при 90 градуса.
Оперативната реакция
При установяване на втвърдяване са възможни няколко отговора. Намаляването на работната температура забавя скоростта на по-нататъшното втвърдяване. Ако процесът не може да понесе по-ниска температура, тръбите трябва да се наблюдават чрез периодично изпитване на огъване или измерване на удължението на тръба за проба, отстранена по време на планираната поддръжка. Когато удължението падне под 50%, тръбите трябва да бъдат планирани за подмяна.
Интервалът за смяна е предвидим въз основа на работната температура и експозицията на разтворителя. Проактивният график за подмяна избягва неочаквано чупливо счупване по време на експлоатация. Отстранените тръби, въпреки че са закалени, не са повредени и могат да бъдат заменени по време на планирани прекъсвания.
Резюме
Прогресивното втвърдяване на PTFE тръбите в горещи хлорирани разтворители се причинява от-индуцирана от разтворител кристализация и екстракция на видове с ниско-молекулно-тегло. Втвърдяването се увеличава с температурата и времето на излагане. При 120 градуса може да настъпи значителна крехкост в рамките на 18-36 месеца. Оперативните реакции включват намаляване на температурата, периодичен мониторинг на удължението и планирана смяна на тръбата, когато удължението падне под 50%. Втвърдяването е предвидимо, което позволява проактивно планиране на поддръжката.
Инженерна поддръжка за прогнозиране на експлоатационния живот на PTFE топлообменника при обслужване с разтворител е достъпна при подаване на идентичност на разтворителя, работна температура, продължителност на експозиция и всички наблюдавани промени в механичните свойства на тръбата.
