เหตุใดเครื่องทำความร้อน PFA ที่ใช้ในเส้นชัย-โลหะจึงมีรัศมีทุกมุมเทียบกับขอบที่แหลมคม

เนื่องจากมีราคาต่ำและทนทานต่อสารเคมีสูงต่อกรดและเบสต่างๆ จึงมีการใช้ซับในถัง PVC (โพลีไวนิลคลอไรด์) ในกระบวนการแปรรูปทางเคมีบ่อยครั้ง แต่พีวีซีมีความยืดหยุ่นได้โดยการเติมพลาสติไซเซอร์ ซึ่งมักจะเป็นพาทาเลท (DEHP, DINP, DIDP) หรือสารทดแทนพทาเลทที่ไม่ใช่- (DOA, TOTM) พลาสติไซเซอร์เหล่านี้ไม่มีพันธะโควาเลนต์กับเมทริกซ์ PVC และมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนตัวขึ้นสู่พื้นผิวเมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง (40–80 องศา ) การโยกย้ายของพลาสติไซเซอร์จากเครื่องทำความร้อน PFA ไปยังถังบุพลาสติก PVC- เมื่อเครื่องทำความร้อน PFA จมอยู่ในถังบุพลาสติก PVC- พลาสติไซเซอร์จะเคลื่อนที่ผ่านของเหลวและดูดซับลงบนพื้นผิว PFA พลาสติไซเซอร์คือเอสเทอร์อินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ซึ่งจะขยายส่วนอสัณฐานของ PFA มากขึ้น ลดอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) และเพิ่มการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อม (ESC) การทดสอบแบบเร่งแสดงให้เห็นว่า PFA เมื่อสัมผัสกับพลาสติไซเซอร์พทาเลทที่เคลื่อนย้ายที่อุณหภูมิ 70 องศา ทำให้เกิดรอยแตกที่พื้นผิวได้เร็วกว่าในสภาวะที่ปราศจากพลาสติไซเซอร์ 3-5 เท่า การมีอยู่ของพลาสติไซเซอร์จากไลเนอร์ PVC จะช่วยเร่งการแตกร้าวที่พื้นผิวของเครื่องทำความร้อน PFA โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการดำเนินการที่มีความหนาแน่นของวัตต์สูง ( มากกว่าหรือเท่ากับ 3 วัตต์/ซม.2) หรือการหมุนเวียนด้วยความร้อน

ปฏิสัมพันธ์กลไกการย้ายถิ่นของ PFA และพลาสติไซเซอร์
พลาสติไซเซอร์อพยพจาก PVC ผ่านกลไกสามประการ: การแพร่กระจายของพื้นผิว (พลาสติไซเซอร์บานไปยังพื้นผิวของไลเนอร์และละลายลงในของเหลวในกระบวนการ), การชะล้าง (พลาสติไซเซอร์สกัดโดยตรงไปยังตัวทำละลายหรือกรดที่มีฤทธิ์รุนแรง) และ-ขั้นตอนการขนส่งไอ (พลาสติไซเซอร์ระเหยจากไลเนอร์และควบแน่นบนพื้นผิวที่เย็นกว่า รวมถึงส่วนเย็นของเครื่องทำความร้อน) เมื่อเข้าไปในของเหลว พลาสติไซเซอร์จะก่อตัวขึ้น สำหรับถังขนาด 1,000 ลิตรที่มีซับ PVC ที่ 60 องศา ปริมาณพาทาเลทในสถานะของเหลวจะสูงถึง 20-100 ppm หลังจาก 6 เดือน ความเข้มข้นสูงสุดของพลาสติไซเซอร์จะพบได้ใกล้กับพื้นผิวไลเนอร์ (ชั้นขอบเขต) ซึ่งสามารถวางตำแหน่งเครื่องทำความร้อน PFA เพื่อให้ความร้อนสม่ำเสมอ พลาสติไซเซอร์แทรกซึมเข้าไปในบริเวณอสัณฐานของโพลีเมอร์บนพื้นผิว PFA PFA มีรูปร่างไม่แน่นอน 40-50% โมเลกุลพลาสติไซเซอร์ (น้ำหนักโมเลกุล 300-500 ดา) กระจายตัวในบริเวณอสัณฐานเหล่านี้และทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายที่แยกสายโซ่โพลีเมอร์และลดแรงเสียดทานระหว่างสายโซ่ อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วของเฟสอสัณฐานจะลดลงจากประมาณ -15 องศา (PFA บริสุทธิ์) เป็น -30 ถึง -40 องศา (PFA แบบพลาสติก) สิ่งนี้จะเพิ่มความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้อง แต่ยังเพิ่มความไวของโพลีเมอร์ต่อการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อม เนื่องจากขณะนี้ส่วนอสัณฐานสามารถทะลุผ่านสายพันธุ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้ง่ายขึ้น

การแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นเมื่อโพลีเมอร์ที่เกิดความเครียด (เนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน ความดัน หรือความเค้นตกค้างจากการผลิต) สัมผัสกับสารออกฤทธิ์ที่พื้นผิว (พลาสติไซเซอร์) พลาสติไซเซอร์จะลดพลังงานพื้นผิวเพื่ออำนวยความสะดวกในการแพร่กระจายการแตกหัก เพื่อให้รอยแตกร้าวแพร่กระจายที่ความเค้นต่ำกว่าความแข็งแรงครากปกติของโพลีเมอร์มาก ความเครียดวิกฤตสำหรับ ESC ใน PFA ในกรดไนตริก 30% ที่ 80 องศาโดยไม่มีพลาสติไซเซอร์คือ 5–7 MPa ความเค้นวิกฤตลดลงเหลือ 2-3 MPa เมื่อมีพลาสติไซเซอร์ DEHP 50 ppm เครื่องทำความร้อนที่มีความเค้นตกค้าง 4 MPa ที่มุมหน้าแปลน (โดยทั่วไปของการออกแบบมุมแหลม-) จะไม่แตกร้าวในกรดที่สะอาด แต่จะแตกร้าวภายในไม่กี่เดือนในกรดที่ปนเปื้อนด้วยพลาสติไซเซอร์

ผลการทดสอบการแคร็กแบบเร่ง
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 >5,000 ชั่วโมง (ไม่มีรอยร้าว) 1.0× ไม่มี ESC DEHP (di-ethylhexyl phthalate)10 80 1,200-1,800 ชั่วโมง 3-4x Amorphousบวม + ESC DEHP 50 80 400-700 ชั่วโมง 7-12x ESC รุนแรง
DEHP 100 80 150-300 ชม. 15-30X การแคร็กอย่างรวดเร็ว
DINP (ได-ไอโซโนนิล พทาเลท) 50 80 500-900 ชั่วโมง 6-10× คล้ายกับ DEHP
DIDP (di-isodecyl phthalate) 50 80 600-1,000 ชั่วโมง 5-8× โมเลกุลใหญ่ขึ้น การแพร่กระจายช้าลง
DOA (dioctyl adipate, ไม่ใช่-phthalate) 50 80 800–1,200 ชั่วโมง 4–6× ไม่รุนแรงเท่ากับ phthalates
TOTM (trioctyl trimellitate) 50 80 1,500–2,500 ชั่วโมง 2–3× การอพยพต่ำ โมเลกุลใหญ่ขึ้น
กรดทาทาลิค (ผลิตภัณฑ์การย่อยสลายของพลาสติไซเซอร์)10 80 2,000-3,000 ชั่วโมง 2× มีประสิทธิภาพน้อยกว่าพลาสติไซเซอร์ต้นกำเนิด
การตรวจจับและการป้องกัน
ตัวอย่างการแตกร้าวที่เกิดจากพลาสติไซเซอร์ของ PFA Heater: (1) รอยแตกร้าวเกิดขึ้นครั้งแรกที่ด้านข้างของเครื่องทำความร้อนโดยสัมผัสกับไลเนอร์ PVC (ด้านที่มีความเข้มข้นของพลาสติไซเซอร์สูงสุด) (2) รอยแตกร้าวมักมีขนาดเล็ก (ลึก 0.1 – 0.5 มม.) จำนวนมากและมีทิศทางตามอำเภอใจ (รอยแตกจากความเมื่อยล้าจากความร้อนเป็นเส้นรอบวง) (3) พื้นผิว PFA อาจรู้สึกเหนียวหรือมันเล็กน้อยเมื่อสัมผัส เนื่องจากมีพลาสติไซเซอร์ที่ถูกดูดซับ (4) ของเหลวในกระบวนการอาจมี TOC สูง (คาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมด) เนื่องจากการชะล้างของพลาสติไซเซอร์ การวิเคราะห์เพื่อยืนยัน: เช็ดพื้นผิว PFA ด้วยสำลีชุบตัวทำละลาย- (ไอโซโพรพานอล) และวิเคราะห์โดย GC-MS เพื่อหาพาทาเลทหรือพลาสติไซเซอร์อื่นๆ หากการตรวจจับเป็นบวกและสูงกว่า 10 µg/cm² จะตรวจพบการปนเปื้อนของพลาสติไซเซอร์จำนวนมาก

กลยุทธ์การป้องกัน: (1) เปลี่ยนไลเนอร์ PVC เป็นไลเนอร์แบบไม่มีพลาสติไซเซอร์ (PP, PVDF, PFA หรือ PTFE) มีจำหน่าย PVC ปลอดสารพลาสติไซเซอร์- (PVC แข็ง ประเภท I) แต่มีความทนทานต่อสารเคมีน้อยกว่าและมีความยืดหยุ่นน้อยกว่า. 2) สารกั้นพลาสติไซเซอร์: แผ่นโพลีเอทิลีนหรือโพลีโพรพีลีน (1–2 มม.) ระหว่างไลเนอร์ PVC และสิ่งที่บรรจุอยู่ในถัง อุปสรรคนี้จะต้องมีการปรับปรุงทุกปี (3) การหมุนเวียนของของเหลวสูง: หากของเหลวในถังมีการเปลี่ยนแปลงบ่อยครั้ง (เช่น การทำงานเป็นชุดด้วยสารละลายใหม่ในแต่ละรอบ) ความเข้มข้นของพลาสติไซเซอร์จะยังคงต่ำ (<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.

วิธีแก้ไขระยะยาวที่ประหยัดที่สุดสำหรับการติดตั้งที่มีอยู่ด้วยไลเนอร์ PVC และเครื่องทำความร้อน PFA ที่พังก่อนกำหนดคือการเปลี่ยนไลเนอร์ PVC ด้วย PVDF หรือโพลีโพรพีลีน (หากความเข้ากันได้ทางเคมีอนุญาต) ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนไลเนอร์ (5,000 – 15,000 fora2,000Ltank) โดยทั่วไปจะได้รับคืนภายใน 2 – 3 ปีโดยการลดการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อน (5,000 – 15,000 fora2,000Ltank) โดยทั่วไปจะคืนสภาพได้ภายใน 2 – 3 ปีด้วยการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนที่ลดลง (500 – 1,500 ต่อเครื่องทำความร้อน x 2 – 4 เครื่องทำความร้อนต่อปี=$1,000 – 6,000/ปี) พร้อมเวลาหยุดทำงานที่ลดลง หากการเปลี่ยนไลเนอร์ไม่สามารถทำได้ ให้ลองใช้เครื่องทำความร้อนโลหะ (ไทเทเนียมหรือแฮสเตลลอย) ที่ไม่ต้องใช้ ESC จากพลาสติไซเซอร์ เครื่องทำความร้อนไทเทเนียมมีราคาแพงกว่า PFA ถึง 2-3 เท่า แต่อาจคุ้มค่าหากเครื่องทำความร้อน PFA ทำงานล้มเหลวทุกๆ 3-6 เดือนเนื่องจากการแตกร้าวของพลาสติไซเซอร์

สรุป: Plasticisers เร่งการแคร็กของ PFA ในระดับมาก
การมีอยู่ของพลาสติไซเซอร์ที่ย้ายมาจากแทงค์ไลเนอร์ PVC จะเร่งการแตกร้าวของพื้นผิวเครื่องทำความร้อน PFA และเวลาที่เกิดความล้มเหลวจะลดลงเป็นปัจจัย 3-30 ขึ้นอยู่กับปริมาณพลาสติไซเซอร์ อุณหภูมิ และระดับความเครียดของเครื่องทำความร้อน พลาสติไซเซอร์พาทาเลท (DEHP, DINP) เป็นสารที่กระตุ้นให้เกิดการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดที่แรงดันที่ใช้ต่ำเพียง 2 ถึง 3 MPa อายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน PFA ในถังที่มีแผ่นบุ PVC พลาสติกควรพิจารณาว่าลดลงอย่างมาก - โดยทั่วไปคือ 6-18 เดือน แทนที่จะเป็น 3-5 ปี เพื่อป้องกันสิ่งนี้ จะต้องกำจัดแหล่งกำเนิดของพลาสติไซเซอร์ (ซับ PVC แทนที่ด้วยวัสดุที่ปราศจากพลาสติไซเซอร์) ต้องติดตั้งสิ่งกีดขวาง หรือต้องใช้วัสดุทำความร้อนที่ต้านทานต่อพลาสติไซเซอร์ (ไทเทเนียม ควอตซ์ ซิลิคอนคาร์ไบด์) สำหรับถังที่มีไลเนอร์ PVC ที่มีอยู่ วิศวกรที่ระบุเครื่องทำความร้อน PFA ควรรวมการวิเคราะห์พลาสติไซเซอร์ไว้ในของเหลวในกระบวนการ และพิจารณากำหนดเวลาการเปลี่ยนแบบเร่งด่วน เครื่องทำความร้อน PFA ที่แตกร้าวในกรดสะอาดหลังจากผ่านไป 4 ปี อาจแตกร้าวใน 4 เดือนในกรดเดียวกันกับ DEHP 50 ppm จากซับใน PVC อย่าคิดว่า PFA "ทนทานต่อสารเคมี" ดังนั้นจึงทนทานต่อ ESC ที่เกิดจากพลาสติไซเซอร์ พลาสติไซเซอร์ไม่ใช่สารเคมีที่ส่งผลต่อแกนหลักของโพลีเมอร์ แต่จะทำร้ายโครงสร้างทางกายภาพ และ PFA ก็มีความเสี่ยง