Prezența plastifianților care migrează dintr-o linie de rezervor din PVC accelerează fisurarea suprafeței încălzitorului PFA?

Datorită costului redus și rezistenței chimice puternice la diferiți acizi și baze, căptușelile de rezervor din PVC (policlorură de vinil) sunt frecvent utilizate în procesarea chimică. Dar PVC-ul este flexibil prin adăugarea de plastifianți, de obicei ftalați (DEHP, DINP, DIDP) sau alternative non-ftalați (DOA, TOTM). Acești plastifianți nu sunt legați covalent de matricea PVC și au tendința de a migra la suprafață în timp, în special la temperaturi ridicate (40-80 grade). Migrarea plastifianților de la încălzitoarele PFA într-un rezervor căptușit cu PVC-plastifiat Când un încălzitor cu PFA este scufundat într-un rezervor căptușit cu PVC-plastifiat, plastifianții migrează prin lichid și se adsorb pe suprafața PFA. Plastifianții sunt esteri organici cu greutate moleculară mică, care măresc porțiunile amorfe ale PFA, reducând temperatura de tranziție sticloasă (Tg) și crescând fisurarea prin stres de mediu (ESC). Testele accelerate au arătat că PFA în contact cu plastifianții ftalați migratori la 70 de grade dezvoltă fisuri de suprafață de 3-5 ori mai repede decât în ​​condiții fără plastifianți. Prezența plastifianților din căptușelile din PVC accelerează fisurarea suprafeței încălzitoarelor PFA, în special în timpul funcționării cu densitate mare de wați (mai mare sau egală cu 3 W/cm2) sau în timpul ciclului termic.

Interacțiunea dintre PFA și mecanismul de migrare a plastifianților
Plastifianții migrează din PVC prin trei mecanisme: difuzie de suprafață (plastifiantul înflorește pe suprafața căptușelii și se dizolvă în lichidul procesului), leșierea (plastifiantul se extrage direct în solvenți sau acizi agresivi) și transport în fază de-vapori (plastifiantul se evaporă din căptușeală și se condensează pe suprafețele mai reci, inclusiv secțiunea rece a încălzitorului). La intrarea în lichid, se formează plastifianți. Pentru un rezervor de 1000 de litri cu căptușeală din PVC la 60 de grade, conținutul de ftalați în faza lichidă poate ajunge la 20-100 ppm după 6 luni. Concentrația maximă de plastifiant se găsește lângă suprafața căptușelii (stratul limită) unde încălzitorul PFA poate fi poziționat pentru încălzire uniformă. Plastifiantul pătrunde în regiunea amorfă a polimerului de pe suprafața PFA. PFA este 40-50% amorf. Moleculele plastifianți (greutate moleculară 300-500 Da) se dispersează în aceste regiuni amorfe și funcționează ca solvent care desparte lanțurile polimerice și scade frecarea între lanțuri. Temperatura de tranziție sticloasă a fazei amorfe este scăzută de la aproximativ -15 grade (PFA pur) la -30 până la -40 grade (PFA plastifiat). Acest lucru crește flexibilitatea la temperatura camerei, dar crește și susceptibilitatea polimerului la fisurarea prin stres ambiental, deoarece porțiunile amorfe sunt acum mai ușor de pătruns de speciile corozive.

Fisurarea prin stres de mediu este atunci când un polimer solicitat (datorită expansiunii termice, presiunii sau tensiunii reziduale din producție) intră în contact cu un agent activ de suprafață (plastifiant). Plastifiantul reduce energia de suprafață pentru a facilita propagarea fracturii, astfel încât fisurile se propagă la solicitări mult sub limita de curgere obișnuită a polimerului. Stresul critic pentru ESC în PFA în acid azotic 30% la 80 de grade fără plastifiant este de 5-7 MPa. Tensiunea critică scade la 2-3 MPa în prezența unui plastifiant DEHP de 50 ppm. Un încălzitor cu efort rezidual de 4 MPa la un colț al flanșei (tipic unui design cu colț-ascuțit) nu se va crăpa în acid curat, dar se va crăpa în câteva luni în acidul contaminat cu plastifiant.

Rezultatele testului de fisurare accelerată
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 ore (fără fisuri) 1.0× Fără ESC DEHP (di-ftalat de etilhexil){10 80 1,200-1.800 ore 3-4x Umflare amorfă + ESC DEHP 50 80 400-700 ore 7-12x ESC severă
DEHP 100 80 150-300 ore 15-30X Crăpare rapidă
DINP (ftalat de di-isononil) 50 80 500-900 ore 6-10× Similar cu DEHP
DIDP (ftalat de di-izodecil) 50 80 600-1,000 ore 5-8× Moleculă mai mare, difuzie mai lentă
DOA (dioctil adipat, non-ftalat) 50 80 800–1.200 ore 4–6× Nu este la fel de agresiv ca ftalatul
TOTM (trioctil trimelitat) 50 80 1,500–2500 ore 2–3× Migrație scăzută, moleculă mai mare
Acid ftalic (produși de degradare ai plastifianților)10 80 2,000-3,000 de ore 2× Mai puțin eficient decât plastifiantul de bază
Detectare și prevenire
Exemplu de fisurare indusă de plastifiant de încălzire PFA: (1) Crăpăturile apar mai întâi pe partea încălzitorului în contact cu căptușeala din PVC (partea cu cea mai mare concentrație de plastifiant). (2) Fisurile sunt de obicei mici (0,1 – 0,5 mm adâncime), numeroase și orientate arbitrar (fisurile de oboseală termică sunt circumferențiale). (3) Suprafața PFA se poate simți puțin lipicioasă sau uleioasă la atingere din cauza plastifiantului adsorbit. (4) Lichidul de proces poate avea un TOC ridicat (carbon organic total) din cauza leșierii plastifianților. Analiză pentru confirmare: tamponați suprafața PFA cu un tampon umezit cu solvent-(izopropanol) și analizați prin GC-MS pentru ftalați sau alți plastifianți. Dacă detecția este pozitivă și peste 10 µg/cm², este detectată o contaminare considerabilă cu plastifiant.

Strategii de prevenire: (1) Înlocuiți căptușeala din PVC cu o căptușeală fără plastifianți (PP, PVDF, PFA sau PTFE). Este disponibil PVC fără plastifianți (PVC rigid, tip I), dar are o rezistență chimică mai mică și este mai puțin flexibil. 2) Barieră cu plastifiant: o foaie de polietilenă sau polipropilenă (1–2 mm) între căptușeala din PVC și conținutul rezervorului. Această barieră trebuie actualizată în fiecare an. (3) Turnover mare de lichid: dacă lichidul din rezervor este schimbat des (de exemplu, operarea în lot cu soluție proaspătă în fiecare ciclu), concentrația de plastifiant rămâne scăzută (<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.

Cel mai economic remediu pe termen lung pentru instalațiile existente cu căptușeli din PVC și încălzitoare PFA care se rup prematur este înlocuirea căptușelii din PVC cu PVDF sau polipropilenă (dacă compatibilitatea chimică permite). Costul înlocuirii căptușelii (5.000 – 15.000 pentru rezervorul de 2.000 litri) este de obicei recuperat în 2 – 3 ani prin înlocuiri reduse de încălzitor (5.000 – 15.000 pentru rezervorul de 2.000 litri) este de obicei recuperat în 2 – 3 ani prin înlocuiri reduse de încălzitor (1,500 – 500 – 1.500 litri). încălzitoare pe an=1.000 – 6.000 USD/an) plus timp de nefuncționare redus. Dacă înlocuirea căptușelii nu este practică, luați în considerare un încălzitor metalic (titan sau Hastelloy) care nu este supus ESC de la plastifianți. Încălzitoarele cu titan sunt de 2-3x mai scumpe decât PFA, dar pot fi rentabile dacă încălzitoarele PFA se defectează la fiecare 3-6 luni din cauza crăpăturii plastifiantului.

Concluzie: plastifianții accelerează crăparea PFA într-o mare măsură
Prezența plastifianților care migrează din căptușelile rezervoarelor din PVC accelerează fisurarea suprafețelor de încălzire PFA, iar timpul până la defectare este redus cu factori de 3-30, în funcție de conținutul de plastifiant, temperatură și nivelul de stres al încălzitorului. Plastifianții ftalați (DEHP, DINP) sunt cei mai agresivi care induc fisurarea prin stres de mediu la presiuni aplicate de până la 2 până la 3 MPa. Durata de viață a încălzitoarelor PFA din rezervoare cu căptușeli din PVC plastifiat ar trebui considerată redusă sever -, de obicei, 6-18 luni, mai degrabă decât 3-5 ani. Pentru a preveni aceasta, trebuie eliminată sursa de plastifiant (căptușeala PVC înlocuită cu material fără plastifiant), trebuie instalată o barieră sau trebuie utilizat un material de încălzire care este imun la plastifianți (titan, cuarț, carbură de siliciu). Pentru rezervoarele cu căptușeli existente din PVC, inginerii care specifică încălzitoare PFA ar trebui să includă o analiză a plastifianților în fluidul de proces și să ia în considerare termenele de înlocuire rapidă. Un încălzitor PFA care se sparge în acid curat după 4 ani se poate crăpa în 4 luni în același acid cu 50 ppm DEHP dintr-o căptușeală din PVC. Nu credeți că PFA este „rezistent chimic”, deci rezistent la ESC generat de plastifiant. Plastifianții nu sunt substanțe chimice care afectează coloana vertebrală a polimerului, ei atacă structura fizică și PFA este vulnerabil.