Problemet med att frigöra fyllnadsmedel
Kiselnitrid-fylld PTFE marknadsförs som en hög-komposit. Det keramiska fyllmedlet ökar styvheten, förbättrar slitstyrkan och ger måttlig förbättring av värmeledningsförmågan. Materialet är attraktivt för värmeväxlarapplikationer där dessa egenskaper värderas.
Under upprepad termisk cykling skapar emellertid skillnaden i termisk expansion mellan Si3N4-partiklarna (ungefär 3,2 x 10'6/grad) och PTFE-matrisen (120 x 10'6/grad) ett fundamentalt problem. Med varje temperaturcykel expanderar PTFE och drar ihop sig 35-40 gånger mer än fyllmedelspartiklarna. Den cykliska differentialtöjningen vid partikel{10}}matrisgränssnittet frigör gradvis fyllmedlet från matrisen. Mikroskopiska luckor bildas runt varje partikel. Klyftorna växer till mikrosprickor med fortsatt cykling.
Virgin PTFE har inget fyllmedel. Det finns inget gränssnitt för att avbinda. Det homogena materialet expanderar och drar ihop sig jämnt. Den termiska cykeluthålligheten är betydligt större.
Gränssnittsutmattningsmekanismen
Varje termisk cykel från omgivningstemperatur till driftstemperatur utsätter fyllmedels-matrisgränssnittet för en skjuvtöjningscykel. Töjningen är proportionell mot skillnaden i termiska expansionskoefficienter gånger temperaturförändringen. För en 120 graders temperatursvängning (25 grader till 145 grader) är den differentiella töjningen vid gränssnittet ungefär 1,4 %. Denna påfrestning kan vara inom den elastiska gränsen för en enda cykel, men upprepad cykling orsakar kumulativ skada.
Skadan initieras som submikroskopiska avbindningar vid partikelekvatorn, där skjuvspänningen är högst. Avbindningarna växer med varje cykel och ansluter så småningom för att bilda ett kontinuerligt spricknätverk runt och mellan partiklar. Sprickorna minskar den effektiva lastöverföringen mellan fyllmedlet och matrisen. Kompositen tappar styvhet. Sprickorna ökar också materialets permeabilitet, vilket potentiellt tillåter inträngning av processvätska.
Efter 5 000-10 000 termiska cykler kan de mekaniska egenskaperna hos den fyllda kompositen försämras till under de för ny PTFE. Fyllmedlet som tillsattes för att förbättra egenskaperna blir en skuld.
| Termisk cykelparameter | Virgin PTFE | Si₃N₄-fylld PTFE (15 % fyllmedel) |
|---|---|---|
| Termisk expansionsfelanpassning (Δ ) | N/A (homogen) | 117 × 10⁻⁶/grad (matris-fyllnadsskillnad) |
| Gränssnittsbelastning per 120 graders cykel | 0 | ~1.4% |
| Mikro-sprickinitiering (cykler) | N/A | 500-1,000 |
| Betydande egendomsförlust (cykler) | > 50,000 | 5,000-10,000 |
| Draghållfasthet efter 10 000 cykler (%) | > 90 | 55-70 |
| Permeabilitetsförändring efter 10 000 cykler | Ingen | 3-8× ökning |
Ansökningsvägledningen för cyklisk service
För värmeväxlare i konstant-temperaturdrift med minimal cykling kan Si₃N₄-fylld PTFE ge en användbar kombination av egenskaper. Mekanismen för frigörande av fyllmedels-matrisen drivs av termisk cykling. Utan cykler förblir gränssnittet intakt.
För värmeväxlare i batchprocesser, intermittent drift eller någon service med regelbundna temperaturcykler är ny PTFE det föredragna materialet. Den homogena strukturen har ingen gränsyta mot utmattning. Den termiska cyklingsuthålligheten begränsas inte av fyllnadsavbindning-den begränsas endast av PTFE-polymerens inneboende utmattningslivslängd, som är storleksordningar större än den fyllda kompositen.
Sammanfattning
Kiselnitrid-fyllda PTFE-rör lider av att fyllmedels-matris lossnar under termisk cykling på grund av den stora oöverensstämmelsen i termiska expansionskoefficienter. Mikro-sprickor initieras vid partikelgränssnitt efter 500-1 000 cykler och växer med fortsatt cykling, försämrar mekaniska egenskaper och ökar permeabiliteten. Virgin PTFE, utan fyllmedel och utan gränssnitt, har avsevärt bättre termisk cykeluthållighet. För cyklisk service är ny PTFE det rekommenderade materialet. Fyllda kvaliteter är begränsade till applikationer med konstant temperatur.
Tekniskt stöd för val av PTFE-materialklass vid cyklisk termisk drift är tillgängligt efter inlämnande av temperaturcykelamplitud, cykelfrekvens, nödvändig livslängd och aktuella materialprestandadata.
