Visok{0}}izazov otapala
Farmaceutska sinteza, specijalna kemijska proizvodnja i operacije oporabe otapala zagrijavaju organska otapala na 150-200 stupnjeva. Na tim temperaturama otapala postaju agresivna prema polimernim materijalima kroz bubrenje, prodiranje i plastificiranje. Polimer koji je kemijski otporan na sobnoj temperaturi može omekšati, nabubriti ili se otopiti na 180 stupnjeva.
PEEK-polietereterketon-je termoplastika visokih-učinkovitosti s trajnom radnom temperaturom od 250 stupnjeva i izvrsnom kemijskom otpornošću. Koristi se u zahtjevnim primjenama obrade zrakoplova, nafte i plina te kemijske obrade gdje drugi polimeri ne uspijevaju. PTFE je također ocijenjen za kontinuiranu upotrebu od 260 stupnjeva uz gotovo-univerzalnu otpornost na kemikalije.
Odabir između ova dva vrhunska polimera za izmjenu topline vrućim otapalom ovisi o njihovim fundamentalno različitim odgovorima na izlaganje organskom otapalu pri povišenoj temperaturi.
Razlika u bubrenju i prožimanju
Organska otapala prodiru u polimere difuzijom u slobodni volumen između polimernih lanaca. Opseg apsorpcije ovisi o usklađenosti parametra topljivosti između otapala i polimera, te o količini slobodnog volumena u strukturi polimera.
PEEK je polu{0}}kristalni polimer s krutom aromatskom okosnicom. Krutost ograničava slobodni volumen i smanjuje apsorpciju otapala u usporedbi s fleksibilnijim polimerima. U većini organskih otapala na temperaturama ispod 150 stupnjeva, PEEK apsorbira manje od 2% otapala po težini i dobro zadržava svoja mehanička svojstva.
Iznad 150 stupnjeva, situacija se mijenja. Povećana toplinska energija proširuje slobodni volumen. Molekule otapala prodiru dublje. Povećava se apsorpcija. Apsorbirano otapalo plastificira polimer-molekule otapala djeluju kao unutarnja sredstva za podmazivanje između lanaca polimera, smanjujući snagu i krutost. PEEK komponenta koja je dimenzijski stabilna i mehanički ispravna na 120 stupnjeva može nabubriti i omekšati na 180 stupnjeva u istom otapalu.
PTFE reagira drugačije. Veze ugljika-fluora stvaraju polimer s vrlo niskom gustoćom kohezivne energije-međumolekularne sile između lanaca su slabe. Otapala koja apsorbira većina polimera malo su termodinamički privlačna PTFE-u. Parametar topljivosti PTFE-a je približno 6,2 (cal/cm³)^(1/2), daleko od većine organskih otapala. Apsorpcija je minimalna čak i pri povišenim temperaturama.
Tablica 1: PTFE u odnosu na PEEK pri izlaganju organskom otapalu na 180 stupnjeva
| Parametar izvedbe | ZAVIRI | PTFE |
|---|---|---|
| Temperatura staklenog prijelaza (stupnjevi) | 143 | 115 (ali ne omekšava značajno zbog visoke kristalnosti) |
| Temperatura stalne uporabe (stupnjevi) | 250 | 260 |
| Apsorpcija otapala u toluenu na 180 stupnjeva (%) | 3-8 | < 0.5 |
| Apsorpcija otapala u DMF-u na 180 stupnjeva (%) | 5-12 | < 0.5 |
| Zadržavanje vlačne čvrstoće nakon 1000 sati u otapalu na 180 stupnjeva (%) | 60-80 (ovisno o otapalu) | > 90 |
| Promjena dimenzija u otapalu na 180 stupnjeva (%) | 1-5 (oteklina) | < 0.5 |
| Stopa propusnosti (relativna) | Umjereno | Vrlo nisko |
| Osjetljivost na pucanje uslijed naprezanja | Umjereno (u agresivnim otapalima) | Nijedan |
| Otpornost na puzanje na 180 stupnjeva pod opterećenjem | Dobro | Umjereno (koristite modificirani PTFE) |
Razlika pucanja uslijed naprezanja
PEEK je osjetljiv na pucanje pod utjecajem okoliša u određenim organskim otapalima na povišenoj temperaturi. Kada je PEEK komponenta pod stresom izložena otapalu koje ima neki afinitet prema polimeru, molekule otapala koncentriraju se na koncentracijama stresa-površinskih defekata, tragova strojne obrade ili točaka stezanja. Lokalna plastificacija inicira mikro-pukotine koje se polako šire kroz materijal.
Osjetljivost ovisi o specifičnom otapalu, razini stresa i temperaturi. Teško je predvidjeti za nove ili miješane formulacije otapala. Izmjenjivač topline koji radi besprijekorno u testnom okruženju može prerano otkazati u proizvodnji zbog manje nečistoće otapala ili malo drugačije radne temperature.
PTFE nema poznatu osjetljivost na pucanje pod utjecajem okoliša u organskim otapalima. Veza ugljik-fluor je prejaka da bi je molekule otapala mogle prekinuti. Niska gustoća kohezijske energije materijala znači da se čak ni otapala koja neznatno apsorbiraju ne mogu dovoljno koncentrirati na točkama naprezanja da započnu pucanje.
Razina puzanja i granice tlaka-
Ono gdje PEEK ima prednost je otpornost na puzanje. Čvrsta aromatična okosnica PEEK-a pruža bolju otpornost na puzanje pod opterećenjem nego PTFE na istoj temperaturi. PEEK cijev pod unutarnjim tlakom pare na 180 stupnjeva puže sporije od PTFE cijevi pod istim uvjetima.
Modificirani PTFE, sa svojim-komonomerima bočnih grana, zatvara veći dio ove praznine. Na 180 stupnjeva i umjerenim tlakovima pare (2-4 bara), modificirani PTFE osigurava odgovarajući vijek puzanja za 5-10 godina rada. Za primjene koje zahtijevaju viši pritisak pare na 180 stupnjeva, PEEK-ova vrhunska otpornost na puzanje može opravdati višu cijenu materijala i ograničeniju kompatibilnost s otapalima.
Sažetak
PTFE nadmašuje PEEK u radu s vrućim organskim otapalima iznad 150 stupnjeva gdje su bubrenje otapala, prodiranje i pucanje pod stresom dominantni problemi. Parametar niske topljivosti PTFE-a i jake C-F veze pružaju gotovo-nultu apsorpciju otapala i otpornost na pucanje uslijed naprezanja. PEEK je osjetljiv na bubrenje i pucanje pod utjecajem okoliša u određenim otapalima na povišenim temperaturama.
Prednost PEEK-a je superiorna otpornost na puzanje, što može biti odlučujuće u -primjenama pare pod visokim tlakom. Za većinu zadataka zagrijavanja organskih otapala unutar PTFE-ovih ograničenja tlaka, PTFE pruža širu kemijsku kompatibilnost i slobodu od rizika od pucanja uslijed naprezanja.
Inženjerska analiza za izbor polimera izmjenjivača topline s vrućim otapalom dostupna je nakon podnošenja identiteta i koncentracije otapala, radne temperature i tlaka, toplinskog opterećenja i svih prethodnih rezultata ispitivanja kompatibilnosti polimera.
