De ce s-ar putea ca un încălzitor de calitate PFA foarte pur (scăzut-cenuşă) să prezinte o defecţiune dielectrică mai devreme în medii cu-umiditate ridicată?

Pentru aplicațiile esențiale care necesită un conținut scăzut de substanțe extractibile și poluanți ionici, sunt specificate clase PFA foarte pure (cenușă -scăzută, grad-de semiconductor). Aceste clase au conținut de cenușă<0.01% (versus 0.1-0.5% for normal PFA). Paradoxically, very pure PFA heaters can show sooner dielectric breakdown than conventional PFA heaters in high humidity conditions (≥80% RH). That's because conventional PFA contains trace metal oxides (calcium oxide, magnesium oxide, aluminium oxide) that are water-absorbing fillers or stabilisers. These oxides react with moisture to generate hydroxides which devour water molecules and maintain high electrical resistance. These moisture scavenging organisms are absent in very pure PFA. The absorbed water molecules stay free in the polymer matrix, enhancing the ionic conductivity and reducing the dielectric strength. In high humidity environments, the electrical dependability of normal PFA can be better than ultra-pure PFA.

Mecanismul de absorbție a umidității și defalcarea dielectrică
PFA preia 0,03-0,10% apă în greutate la 100% RH, în funcție de temperatură și cristalinitate. Moleculele de apă absorbite sunt mobile și pot conduce curentul ionic într-un câmp electric. Dacă intensitatea câmpului electric este mai mare decât poate rezista materialul, de obicei 15–25 kV/mm pentru PFA uscat, va avea loc o defecțiune dielectrică. Umiditatea absorbită reduce rezistența la rupere la 10-15 kV/mm la 80% RH și 5-10 kV/mm la 100% RH.

Standard PFA usually comprises 0.1 to 0.5 percent inorganic fillers, often calcium oxide, magnesium oxide, or aluminium silicate, which are used as acid acceptors to stabilise the polymer during processing. These oxides are hygroscopic : CaO + H2O -->Ca(OH)2 Această reacție consumă apă liberă și o combină chimic. Apa legată este substanțial mai puțin mobilă și mai puțin conductivă decât apa liberă. Particulele de umplutură servesc, de asemenea, ca puncte de împrăștiere pentru electroni, crescând lungimea căii de defalcare. PFA foarte pur nu conține astfel de substanțe de umplutură (cenusa<0.01%). The water that is absorbed is left as free water and creates conduction paths. Less filler content also means less physical impediments to electron avalanche.

PFA standard vs rezistență dielectrică Utra-PFA pură
Conținut de cenușă de calitate PFA (%) Absorbție de apă la 60 de grade, 80% RH ( %) Rizitate dielectrică (kV/mm) la 80% RH Timp de cădere a rezistenței izolației (<100 MΩ) at 85°C, 85% RHTypical Application Standard (industrial) 0.15 – 0.30 0.05 – 0.07 12 – 15 8,000 – 12,000 hours Industrial general, high humidity
-puritate ridicată 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 oreAlimente, produse farmaceutice
Ultra-pură (scăzută-cenuşă) 0,005–0.01 0.08–{0.10 8–{10 2,000–4,000 de ore Semiconductor, laboratoare critice
Ultra-pură cu umplutură desicantă (specială) 0,01–0,02 (umplutură adăugată) 0,04–0.06 11–14 6,000–10.000 oreUmiditate ridicată + Puritate ridicată
Standard cu absorbant de umiditate 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15.000 hSetări tropicale, în aer liber
Dovezi de teren de la fabricarea semiconductorilor
Fabrica de semiconductori a instalat încălzitoare PFA ultra-pure (cenusa<0.01%) in a wet bench with 85% RH, 85°C process temperature. Heaters lasted an average of 2,500 hours before the insulation resistance dropped below 100 MΩ and triggered ground fault alarms. For the same application the fab converted to normal PFA heaters (ash 0.2%) with an expectation of reduced life due to greater extractables. All the conventional heaters surprisingly survived 9000 hours. Analysis indicated that conventional heaters had magnesium oxide filler that absorbed moisture and so maintained high resistance. Ultra-pure heaters had no filler and free water built up at the interface to the PFA-metal resulting in leakage. The fab now uses normal PFA for high humidity procedures and reserves ultra-pure PFA for dry processes (<30% RH) when extractables are the main focus.

Atenuarea PFA ultra-pură în serviciul umed
Pentru situații cu umiditate ridicată (de exemplu, bancuri umede cu semiconductori cu umiditate produsă de proces) în care sunt necesare încălzitoare PFA ultra-pure, trei măsuri de atenuare îmbunătățesc fiabilitatea dielectrică:

Purjare cu azot: Aplicați un curent constant de azot uscat pe partea rece a încălzitorului. Presiunea pozitivă împiedică aerul umed să atingă interfața metalică PFA-. Purjarea cu azot mărește durata de viață a rezistenței izolației de 5-10 ori.

Densitate mai mică de wați: reduceți solicitarea câmpului electric prin funcționarea la o tensiune mai mică (208V vs. 480V) și/sau utilizând un încălzitor mai mare (mai mic W/cm²). Intensitatea mai mică a câmpului reduce puterea de antrenare a curentului de scurgere.

Captator de umiditate: Instalați un pachet de sită moleculară (zeolit ​​sau gel de silice) în regiunea rece. Getter-ul preia orice umiditate care se scurge prin PFA. Schimbați getterul la fiecare 6 până la 12 luni.

Pentru aplicațiile care necesită puritate ridicată și umiditate ridicată (de exemplu, reactoare umede farmaceutice), utilizați PFA ultra-pur cu umplutură suplimentară-stabilizatoare de umiditate. Diferiți producători produc PFA ultra-pur cu „grad de umiditate ridicat-cu 0,01-0,02% oxid de calciu sau hidrotalcit sintetic. Aceste grade au rezistență dielectrică de 12-14 kV/mm la 85% RH, similar cu PFA normal, menținând în același timp extractibile scăzute.

Concluzie: PFA standard este superior Ultra-Pure în condiții de umiditate ridicată
Foarte pur (cenuşă scăzută) Acolo unde nu se adaugă absorbanţi de umiditate la umplutură, încălzitoarele PFA tind să se descompună mai devreme decât PFA normal în setări de umiditate ridicată (mai mare sau egală cu 80% RH). Conductivitatea ionică este crescută de apa liberă din matricea polimerică, iar rigiditatea dielectrică scade de la 12–15 kV/mm la 8–10 kV/mm. PFA standard cu 0,1–0,5 % cenușă va supraviețui de 2–4 ori mai mult decât PFA ultra-pur în condiții umed. Inginerii nu ar trebui să presupună că „mai pur este mai bine” în toate situațiile. Pentru aplicații uscate, PFA ultra-pură oferă cel mai înalt grad de curățenie. În aplicațiile umede, este de preferat PFA normal sau umplutură ultra-pură cu umiditate-stabilizatoare. Dacă pentru aplicare sunt de dorit atât substanțele extractibile scăzute, cât și umiditatea ridicată, asigurați purjare cu azot sau colectoare de umiditate. Defalcarea dielectrică-indusă de umiditate este o limitare a designului, nu a materialului. Alegeți gradul PFA în funcție de împrejurimi, nu un ideal de puritate teoretic. Puțină cenușă este un lucru plăcut în umiditate.