Lösningsmedelsutmaningen med hög-temperatur
Farmaceutisk syntes, specialkemikalieproduktion och återvinning av lösningsmedel värmer upp organiska lösningsmedel till 150-200 grader. Vid dessa temperaturer blir lösningsmedel aggressiva mot polymera material genom svällning, genomträngning och mjukning. En polymer som är kemiskt resistent vid rumstemperatur kan mjukna, svälla eller lösas upp vid 180 grader.
PEEK-polyetereterketon-är en hög-termoplast med en kontinuerlig drifttemperatur på 250 grader och utmärkt kemisk beständighet. Det används i krävande flyg-, olja- och gastillämpningar och kemiska processer där andra polymerer misslyckas. PTFE är också klassad för 260 graders kontinuerlig service med nästan-universell kemikalieresistens.
Valet mellan dessa två premiumpolymerer för värmeväxling av heta lösningsmedel beror på deras fundamentalt olika svar på exponering för organiska lösningsmedel vid förhöjd temperatur.
Svullnads- och genomträngningsskillnaden
Organiska lösningsmedel penetrerar polymerer genom att diffundera in i den fria volymen mellan polymerkedjorna. Absorptionsgraden beror på löslighetsparametermatchningen mellan lösningsmedlet och polymeren och på mängden fri volym i polymerstrukturen.
PEEK är en semi-kristallin polymer med en styv aromatisk ryggrad. Styvheten begränsar den fria volymen och minskar lösningsmedelsabsorptionen jämfört med mer flexibla polymerer. I de flesta organiska lösningsmedel vid temperaturer under 150 grader absorberar PEEK mindre än 2 viktprocent lösningsmedel och behåller sina mekaniska egenskaper väl.
Över 150 grader förändras situationen. Den ökade termiska energin utökar den fria volymen. Lösningsmedelsmolekyler penetrerar djupare. Absorptionen ökar. Det absorberade lösningsmedlet mjukgör polymeren -lösningsmedelsmolekylerna fungerar som inre smörjmedel mellan polymerkedjorna, vilket minskar styrka och styvhet. En PEEK-komponent som är formstabil och mekaniskt sund vid 120 grader kan svälla och mjukna vid 180 grader i samma lösningsmedel.
PTFE svarar olika. Kol-fluorbindningarna skapar en polymer med mycket låg kohesiv energitäthet-de intermolekylära krafterna mellan kedjorna är svaga. Lösningsmedel som absorberas av de flesta polymerer har liten termodynamisk attraktion till PTFE. Löslighetsparametern för PTFE är ungefär 6,2 (cal/cm³)^(1/2), långt ifrån de flesta organiska lösningsmedel. Absorptionen är minimal även vid förhöjda temperaturer.
Tabell 1: PTFE vs PEEK i exponering för organiskt lösningsmedel vid 180 grader
| Prestandaparameter | TITT | PTFE |
|---|---|---|
| Glasövergångstemperatur (grad) | 143 | 115 (men mjuknar inte nämnvärt på grund av hög kristallinitet) |
| Kontinuerlig användning temperatur ( grad ) | 250 | 260 |
| Lösningsmedelsabsorption i toluen vid 180 grader (%) | 3-8 | < 0.5 |
| Lösningsmedelsabsorption i DMF vid 180 grader (%) | 5-12 | < 0.5 |
| Draghållfasthetsretention efter 1 000 timmar i lösningsmedel vid 180 grader (%) | 60-80 (lösningsmedelsberoende) | > 90 |
| Dimensionell förändring av lösningsmedel vid 180 grader (%) | 1-5 (svullnad) | < 0.5 |
| Permeationshastighet (relativ) | Måttlig | Mycket låg |
| Mottaglighet för stresssprickor | Måttlig (i aggressiva lösningsmedel) | Ingen |
| Krypmotstånd vid 180 grader under belastning | Bra | Måttlig (använd modifierad PTFE) |
Distinktionen av stressknäckning
PEEK är känsligt för miljöpåfrestningsprickor i vissa organiska lösningsmedel vid förhöjd temperatur. När en stressad PEEK-komponent utsätts för ett lösningsmedel som har viss affinitet för polymeren, koncentreras lösningsmedelsmolekylerna vid spänningskoncentrationer-ytdefekter, bearbetningsmärken eller klämpunkter. Den lokaliserade plasticeringen initierar mikro-sprickor som fortplantar sig långsamt genom materialet.
Mottagligheten beror på det specifika lösningsmedlet, stressnivån och temperaturen. Det är svårt att förutsäga för nya eller blandade lösningsmedelsformuleringar. En värmeväxlare som fungerar felfritt i en testmiljö kan misslyckas i förtid i produktionen på grund av en mindre förorening i lösningsmedel eller en något annorlunda driftstemperatur.
PTFE har ingen känd känslighet för miljöspänningssprickbildning i organiska lösningsmedel. Kol-fluorbindningen är för stark för att lösningsmedelsmolekyler ska kunna störa. Materialets låga kohesiva energitäthet gör att även lösningsmedel som absorberar något inte kan koncentreras tillräckligt vid spänningspunkter för att initiera sprickbildning.
Kryp- och tryckgränsen avvägning-
Där PEEK har en fördel är krypmotstånd. PEEKs styva aromatiska ryggrad ger bättre motstånd mot krypning under belastning än PTFE vid samma temperatur. Ett PEEK-rör under inre ångtryck vid 180 grader kryper långsammare än ett PTFE-rör under samma förhållanden.
Modifierad PTFE, med sina-sidogrenade sammonomerer, täpper till mycket av detta gap. Vid 180 grader och måttligt ångtryck (2-4 barg) ger modifierad PTFE tillräcklig kryplivslängd för 5-10 års drift. För applikationer som kräver högre ångtryck vid 180 grader, kan PEEKs överlägsna krypmotstånd motivera dess högre materialkostnad och mer begränsade lösningsmedelskompatibilitet.
Sammanfattning
PTFE överträffar PEEK i varma organiska lösningsmedelstjänster över 150 grader där lösningsmedelsvällning, genomträngning och spänningssprickor är de dominerande problemen. PTFE:s låga löslighetsparameter och starka C-F-bindningar ger nästan-noll lösningsmedelsabsorption och immunitet mot spänningssprickor. PEEK är känsligt för svullnad och sprickbildning i miljön i vissa lösningsmedel vid förhöjda temperaturer.
PEEK:s fördel är överlägset krypmotstånd, vilket kan vara avgörande vid högtrycksångapplikationer.- För de flesta organiska lösningsmedelsuppvärmningsuppgifter inom PTFE:s tryckgränser ger PTFE den bredare kemiska kompatibiliteten och friheten från risk för spänningssprickor.
Teknisk analys för val av polymer för värmeväxlare med heta lösningsmedel är tillgänglig vid inlämnande av lösningsmedelsidentitet och koncentration, driftstemperatur och tryck, värmebelastning och eventuella tidigare testresultat av polymerkompatibilitet.
