ชั้น PFA ที่ตกผลึกใหม่สามารถให้ประสิทธิภาพการกั้นที่ดีกว่ากับไอกรดไฮโดรฟลูออริกได้ดีกว่า PFA บริสุทธิ์หรือไม่

ไอกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เป็นตัวกั้นการซึมผ่านของปลอกฮีตเตอร์ฟลูออโรโพลีเมอร์ โมเลกุลของไอ HF มีขนาดเล็กและมีขั้วรุนแรง และกระจายตัวได้ง่ายผ่านส่วนอสัณฐานของโพลีเมอร์ ของเหลว HF พองตัว PFA เล็กน้อย PFA บริสุทธิ์-ในรูปแบบอัดรีดหรือขึ้นรูป-มีความเป็นผลึกโดยทั่วไปที่ 35–45% โดยปริมาตรที่เหลือจะถูกครอบครองโดยบริเวณอสัณฐานซึ่งทำหน้าที่เป็นช่องทางการแพร่กระจาย ตามทฤษฎีแล้ว ชั้น PFA ที่ตกผลึกซ้ำซึ่งทำโดยการหลอมด้วยความร้อนที่ควบคุมเพื่อปรับปรุงความเป็นผลึกเป็น 55–65% จะมีความสามารถในการซึมผ่านได้ต่ำกว่า เนื่องจากปริมาตรที่ลดลงของเฟสอสัณฐานจะทำให้ไอระเหยกระจายได้น้อยลง ไม่ว่าสิ่งนี้จะแปลไปสู่การปรับปรุงสิ่งกีดขวางสำหรับไอ HF ให้ดีขึ้นอย่างมากหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับขั้นตอนการหลอมอ่อน รูปร่างของผลึกที่ได้ และอุณหภูมิในการใช้งาน

ทฤษฎีการซึมผ่านของไอและความเป็นผลึกของ HF
ค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่าน (P) ของโพลีเมอร์กึ่งผลึกเป็นไปตามบันทึกความสัมพันธ์ P=log P_amorphous - × X_c (1) โดยที่ P คือความเป็นผลึกของเศษส่วนตามปริมาตรและเป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่แทรกซึม สำหรับไอ HF ใน PFA มีค่าประมาณ 0.025-0.030 ความสามารถในการซึมผ่านลดลงประมาณ ~2.5-3.0 โดยเพิ่มความเป็นผลึกจาก 40 เป็น 60% อัตราการแทรกซึมของไอ HF ผ่านผนัง PFA บริสุทธิ์ที่มีความหนา 1.5 มม. ที่ 80 องศาในทางปฏิบัติคือ 0.8–1.2 กรัม/เมตร 2 .วัน ผนัง PFA ตกผลึกใหม่ที่มีความเป็นผลึก 60% ช่วยลดอัตราลงเหลือ 0.3–0.5 กรัม/เมตร2·วัน การปรับปรุงนี้มีความสำคัญสำหรับการใช้งานที่ไอ HF สัมผัสกับเครื่องทำความร้อนอย่างต่อเนื่อง เช่น อุปกรณ์แกะสลักเฟสไอ หรือถังเก็บความร้อนสำหรับ HF ที่มีช่องว่างไอ

แต่กระบวนการตกผลึกซ้ำทำให้เกิดปัญหาสองประการ การหลอม PFA ที่ 240 ถึง 260 องศาเป็นเวลา 4 ถึง 8 ชั่วโมงในขั้นแรกจะเพิ่มความเป็นผลึก แต่ยังทำให้เกิดการหดตัว (เชิงเส้น 1 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์) หากชั้นที่ตกผลึกซ้ำนั้นเป็นการเคลือบบนแกนฮีตเตอร์โลหะ การหดตัวจะทำให้เกิดความเค้นดึงตกค้างที่ส่วนต่อประสาน ความเครียดดังกล่าวสามารถนำไปสู่การก่อตัวของรอยแตกขนาดเล็กในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนซึ่งสร้างเส้นทางบายพาสไอ HF ที่จะลบล้างประโยชน์ของสิ่งกีดขวาง การตกผลึกซ้ำครั้งที่สองนำไปสู่การเพิ่มขนาดของสเฟอร์รูไลต์ (มวลรวมของผลึก) จาก 5–15 µm เป็น 20–50 µm ขอบเขตระหว่างสเฟียรูไลต์ระหว่าง-นั้นไม่มีรูปร่างและอาจทำหน้าที่เป็นเส้นทางการแพร่กระจายที่รวดเร็วเมื่อการหลอมไม่ได้รับการควบคุมอย่างดี PFA ที่มีการตกผลึกใหม่ไม่ดีได้เพิ่มความเป็นผลึกที่ชัดเจน แต่ประสิทธิภาพของสิ่งกีดขวางแย่ลง เนื่องจากเครือข่ายของช่องสัญญาณอสัณฐานระหว่างสเฟอร์รูไลต์

Virgin vs. Recrystallised: การเปรียบเทียบเชิงทดลอง
ผลการทดสอบการซึมผ่านที่ควบคุมโดยเซลล์ไอ HF โดยทั่วไป (60 องศา, 10% HF ในไอน้ำ, ความหนาของผนัง 1.5 มม.) มีดังต่อไปนี้ PFA บริสุทธิ์ (ความเป็นผลึก 42 % โดยน้ำหนักโดย DSC) เข้าถึงการแทรกซึมในสถานะคงที่หลังจาก 48 ชั่วโมงด้วยการไหล 1.05 กรัม/เมตร2.วัน PFA ที่ตกผลึกซ้ำ (ความเป็นผลึก 58% หลังจากการอบอ่อนที่ 250 องศาเป็นเวลา 6 ชั่วโมง) จะคงตัวหลังจาก 72 ชั่วโมงโดยมีฟลักซ์ 0.40 กรัม/ตรม.·วัน ซึ่งลดลง 62% หลังจากการสัมผัสกับไอ HF อย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง ตัวอย่างบริสุทธิ์จะแสดงการฟอกสีฟัน (การพัฒนาของไมโครโมฆะ) ที่ความลึก 0.2 มม. ในขณะที่ตัวอย่างที่ตกผลึกใหม่จะแสดงการฟอกสีฟันที่ความลึกเพียง 0.05 มม. วัสดุที่ตกผลึกใหม่ยังคงรักษาความต้านทานแรงดึงได้ 95% ของเดิม ในขณะที่ PFA บริสุทธิ์จะคงไว้ 85% หลังจากได้รับสัมผัสแบบเดียวกัน

Thermal cycling (500 cycles 25°C to 90°C) affects the ranking. The penetration rate of the recrystallised sample after cycling is 0.65 g/m²·day - higher than its value before cycling and closer to the virgin material (0.85 g/m²·day after cycling). Microscopic analysis reveals microcracks at the spherulite borders in the recrystallised sample, whereas no crack formation can be observed in the virgin sample. Thermal cycle stress due to differential expansion of the metal core and PFA preferentially breaks the borders of the bigger spherulites in the recrystallised material. Recrystallised PFA offers improved barrier performance for low heat cycling applications (less than 100 cycles per year). The virgin material has a lower initial crystallinity and smaller spherulites therefore providing improved long-term barrier performance in case of frequent thermal cycling (>500 รอบ/ปี) เนื่องจากไม่มีการแคร็ก-

แอปพลิเคชัน-ตารางเปรียบเทียบเฉพาะ
เงื่อนไขการบริการ ความเข้มข้นไอ HF รอบต่อปี, อัตราการซึมผ่านที่คาดหวังด้วยความร้อน (1.5 มม., 80 องศา ) วัสดุที่แนะนำ
อุณหภูมิคงที่ การสัมผัสไอคงที่<5% HF <50Recrystallised PFA 0.3-0.5 g/m2.day
การสัมผัสไออย่างต่อเนื่อง อุณหภูมิคงที่ 5–20 % HF<50 Recrystallised PFA with thicker wall (2.0 mm) 0.2–0.3 g/m²·day
วงจรอุณหภูมิการสัมผัสรายวันเป็นช่วงๆAny PFA บริสุทธิ์ 200-500 0.8-1.0 g/m2·วัน (คงที่)
repeated exposure, several cyclesAny >500 Virgin PFA 0.9-1.2 g/m2.day (degrades to >1.0 หลังจากการตกผลึกซ้ำและการวนรอบ)
Vapour phase over liquid HF (saturated vapour) >เทียบเท่า 20%<100 Recrystallised PFA with 2.5 mm wall 0.4–0.6 g/m²·day
เครื่องทำความร้อนอาจมีการสั่นสะเทือนทางกล รอยแตกร้าวของ Virgin PFA ใดๆ ที่ตกผลึกซ้ำที่ขอบสเฟอร์รูไลท์
- ต้องการความบริสุทธิ์สูงสุด (ไม่สามารถสกัดได้) อาจมีการนำผลิตภัณฑ์การตกผลึกใหม่ด้วย PFA ที่มีความบริสุทธิ์สูง- มาใช้ผลิตภัณฑ์การย่อยสลายด้วยความร้อนอาจถูกนำมาใช้
ประเด็นการปฏิบัติจริง
ไม่ใช่การดำเนินการภาคสนามเพื่อสร้างการเคลือบ PFA ที่ตกผลึกซ้ำบนเครื่องทำความร้อนที่มีอยู่ จำเป็นต้องมีการอบอ่อนของชุดทำความร้อนที่เสร็จแล้วในเตาอบอย่างระมัดระวังที่อุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่ออุณหภูมิของแกนโลหะหรือการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า วงจรการหลอมควรได้รับความร้อนช้า (10 องศาต่อชั่วโมง) และระบายความร้อน (5 องศาต่อชั่วโมง) เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความเครียดจากความร้อน การตกผลึกซ้ำสำหรับการผลิตเครื่องทำความร้อนใหม่จะดำเนินการโดยการอบอ่อนหลังการอัดขึ้นรูป-ของท่อ PFA ก่อนการประกอบบนแกนกลาง หรือโดยการหลอมส่วนประกอบทั้งหมดหลังการห่อหุ้ม กลยุทธ์หลังมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดความเครียดตกค้างจากการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน ขั้นตอนที่แนะนำคือการหลอมท่อ PFA แยกกัน จากนั้นจึงประกอบเข้ากับแกนโดยใช้กระบวนการขยายหรือหดตัวทางกล- ส่งผลให้หลอดมีความเป็นผลึก 55-60% โดยไม่มีความเครียดจากการสัมผัส เครื่องทำความร้อน PFA ที่ตกผลึกใหม่โดยทั่วไปจะมีวัสดุพรีเมียมอยู่ 20-40% เหนือวัสดุบริสุทธิ์ เนื่องจากต้องใช้เวลาในการประมวลผลเพิ่มขึ้นและการควบคุมคุณภาพที่ดีขึ้น

สำหรับการใช้งานไอ HF ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่มีการหมุนเวียนของอุณหภูมิปานกลาง (สูงถึง 200 รอบ/ปี) ประสิทธิภาพการกั้นที่ดีกว่าของ PFA ที่ตกผลึกใหม่จะทำให้ราคาสมเหตุสมผล ระยะเวลาที่นานขึ้นจนถึงระดับการซึมผ่านที่สำคัญ (เช่น . 2,000 ชั่วโมงเทียบกับ 1,200 ชั่วโมงสำหรับบริสุทธิ์) ช่วยลดความถี่ในการบำรุงรักษาและลดความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนของแกนโลหะ แม้จะมีความสามารถในการซึมผ่านพื้นฐานที่สูงกว่า แต่ PFA บริสุทธิ์ยังคงมีข้อได้เปรียบสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการหมุนเวียนของอุณหภูมิบ่อยครั้ง การสั่นสะเทือนทางกล หรือโอกาสในการทำงานที่แห้ง วิศวกรควรขอข้อมูลความเป็นผลึก (โดย DSC) จากผู้ผลิต โดยตั้งเป้าไว้ที่ 55-60% สำหรับวัสดุที่ตกผลึกใหม่และ 35-45% สำหรับบริสุทธิ์ เครื่องทำความร้อนแต่ละเครื่องควรมีใบรับรองที่ระบุอุณหภูมิและเวลาในการหลอม

สรุป: PFA Excels ที่ตกผลึกใหม่ใน-บริการไอ HF สถานะคงที่
ชั้น PFA ที่ตกผลึกใหม่มีประสิทธิภาพในการกั้นไอกรดไฮโดรฟลูออริกสูงกว่า PFA บริสุทธิ์ 50–70% ที่อุณหภูมิคงที่และสภาวะการปั่นจักรยานต่ำ- ความเป็นผลึกที่สูงขึ้นจะจำกัดปริมาตรอสัณฐานสำหรับการแพร่กระจายของไอ และด้วยเหตุนี้จึงลดอัตราการซึมผ่านจาก ~1.0 กรัม/เมตร 2 · วัน เป็น 0.4 กรัม/เมตร 2 · วัน สำหรับผนัง 1.5 มม. อย่างไรก็ตาม สเฟียรูไลต์ที่ตกผลึกใหม่ที่ใหญ่กว่า-นั้นมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกขนาดเล็กภายใต้วงจรความร้อนหรือความเครียดเชิงกลที่จะกัดกร่อนข้อได้เปรียบของสิ่งกีดขวาง PFA แบบตกผลึกใหม่เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานไอ HF อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิคงที่ (เช่น ถังเก็บความร้อนและท่อจ่ายไอ) สำหรับเครื่องทำความร้อนที่หมุนเวียนในแต่ละวันหรืออาจมีการสั่นสะเทือน PFA บริสุทธิ์จะให้ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในระยะยาวมากกว่า การเลือกควรขึ้นอยู่กับจำนวนรอบการระบายความร้อนโดยประมาณระหว่างอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน ไม่ใช่แค่ข้อมูลการซึมผ่านเท่านั้น ในกรณีที่มีข้อสงสัย ผนัง PFA บริสุทธิ์ที่หนาขึ้น (2.5-3.0 มม.) จะให้การปรับปรุงสิ่งกีดขวางที่เท่าเทียมกัน โดยไม่มีความเสี่ยงของการแตกร้าวของวัสดุที่ตกผลึกใหม่ และมีต้นทุนที่ใกล้เคียงกันหรือต่ำกว่า