Почему нагреватель из PFA с гладкой внешней поверхностью может противостоять растрескиванию в парах аммиака высокой-чистоты лучше, чем текстурированный?

PFA умеренно или очень агрессивен по отношению к чистоте паров аммиака (NH3) при температуре 50–100 градусов, вызывая растрескивание полимера под воздействием окружающей среды (ESC) под действием растягивающего напряжения. Гладкая внешняя поверхность (Ra < 0,2 мкм) в 3-5 раз более устойчива к растрескиванию, чем текстурированная поверхность (Ra > 0,8 мкм) при тех же нагрузках и воздействии аммиака. Процесс представляет собой концентрацию напряжений: текстурированные поверхности имеют микроскопические выступы и впадины, которые усиливают напряжение. При приложенных нагрузках (тепловое расширение, давление, остаточное напряжение) днища впадин будут концентраторами напряжений со значениями Kt 2-5x. В этих местах с высоким напряжением пары аммиака преимущественно адсорбируются, уменьшая поверхностную энергию системы, необходимую для возникновения трещин. Гладкая поверхность не имеет концентраторов напряжений; приложенное напряжение является равномерным и ниже критического напряжения для ESC. Для работы с парами аммиака обеспечьте гладкую поверхность PFA, полированную или экструдированную.

Растрескивание под воздействием аммиака под воздействием окружающей среды
Аммиак не вступает в химическую реакцию с PFA (нет разрыва цепи или окисления при температуре ниже 120 градусов). На самом деле это агент, способствующий растрескиванию стресса. Молекулы аммиака крошечные (кинетический диаметр 0,26 нм) и очень полярные. Они диспергируются в аморфных областях ПФА и нарушают ван-дер-ваальсовые взаимодействия между цепями. Область, пластифицированная аммиаком-, локально поддается растягивающему напряжению (всего 2–3 МПа) и образует неистовство. Увлечение превращается в трещину. Концентрация напряжений на поверхностных элементах снижает критическое напряжение ЭСК в аммиаке с 3–5 МПа для гладкого ПФА до всего 1–2 МПа для текстурированного ПФА. Нагреватель с остаточным напряжением 4 МПа (в результате охлаждения экструзией) может выдержать воздействие аммиака, если он гладкий, но разрушится за несколько недель, если он текстурированный.

Шероховатости поверхности образуют насечки. Для V--образной канавки глубиной d и радиусом основания r коэффициент концентрации напряжений Kt ≈ 1+2√ dr. Для типичной текстурированной поверхности (Ra=0.8 мкм, r ≈ 0,5 мкм, d ≈ 2 мкм) получаем Kt ≈ 1 + 2√(2/0,5)=1 + 2√4=1 + 4=5.. Номинальное напряжение 4 МПа увеличивается до 20 МПа в основании канавки-значительно превышая предел текучести PFA. Трещины начинаются через несколько часов.

Сопротивление растрескиванию в зависимости от шероховатости поверхности Пары NH3 (80 градусов, 1 бар)
Состояние поверхности Ra (мкм) Kt (макс) 4 МПа Напряжение первой трещины (часы) Критическое напряжение ESC (МПа) Тип разрушения
Polished (mirror finish) 0.05–0.1 1.1–1.2 >10 000 (трещин нет) 5–6 Нет (в пределах испытаний)
Экструдированный (гладкий) от 0,2 до 0.3 1.3 до 1.5 5, от 000 до 8, от 000 4 до 5 Смешение, хорошо
Экструдированный (нормальный) 0.4-0.6 1.8-2.2 1,500-3,000 3-4 Множественные мелкие трещины
Пескоструйная обработка (тонкая) 0,8–1.2 3–5 200–500 1.5–2,5 Одиночная доминирующая трещина
Пескоструйная обработка (грубая) 1,5–2.5 5–8 50–150 1.0–1,5 Быстрое растрескивание
Механически обработанные (следы инструмента) 0,5–1,5 (направленные) 4–10 20–100 0.5–1,0 Трещины по маркировке инструмента
Химически травленое 0,6–1.0 2–4 300–800 2–3 Умеренное растрескивание
Гладкие поверхности: почему они важны для обслуживания аммиака
Помимо концентрации напряжений, плоские поверхности имеют меньше мест адсорбции аммиака. Молекулы аммиака преимущественно конденсируются в небольших трещинах (капиллярная конденсация). Конденсированный аммиак имеет большую концентрацию и большую продолжительность контакта, что ускоряет пластификацию. Гладкая поверхность-без щелей снижает поглощение аммиака, поэтому поверхность полимера остается достаточно сухой.

Гладкие поверхности также позволяют обнаружить ранее образовавшиеся трещины. На шероховатой поверхности в шероховатости скрыты маленькие трещинки; когда они очевидны, они глубоки. Трещину размером всего 0,1 мм можно увидеть при хорошем освещении на гладкой поверхности, поэтому ее можно заменить до поломки.

Подготовка поверхности для обслуживания аммиака
Для нагревателей PFA, работающих на парах аммиака, укажите:

Чистота поверхности: Ra 0,3 мкм, определяется профилометром в соответствии с ISO 4287.

Никакой шлифовки или бисероплетения после экструзии.

Проверка: запросите подтверждение шероховатости поверхности для каждой производственной партии.

Полировка удаляет 0,05-0,1 мм ПФА, тем самым уменьшая толщину стенки. Полировка может сделать оболочку слишком тонкой для стенки толщиной 1,5 мм. Лучше сначала определить гладкость.

Пример поля