מהי ההשפעה של חמצן מומס על היציבות ההידרוליטית של PFA בהרתחת מים DI ב-100 מעלות?

נמצא שהחמצן המומס (DO) במים רותחים-מיוננים (100 מעלות) לא משנה באופן משמעותי את היציבות ההידרוליטית של PFA. פולימרים טכניים רבים (ניילון, PET) מתפרקים במהירות במים חמים עם חמצן בעוד שעמוד השדרה של הפחמן -פלואור עמיד במיוחד בפני תקיפה חמצונית. מחקרי הזדקנות מואצים ב-100 מעלות במים DI עם רמות DO מ-0 ppm (דה חמצן, טיהור N₂) ל-10 ppm (רווי אוויר) לא הראו שום שינוי בירידה במשקל, שמירה על חוזק מתיחה או פיצוח פני השטח לאחר 10,000 שעות. מנגנון הפירוק הדומיננטי של PFA במים בטמפרטורה גבוהה הוא הידרוליזה של קבוצות קצה של עקבות (-COF, -COOH) ולא חמצון של עמוד השדרה. הידרוליזה זו אינה מקודמת על ידי חמצן מומס. עבור מחממי PFA במערכות מים רותחים DI (סטריליזטורים, לולאות מים טהורים במיוחד, וכו') אין צורך בפירוק לאריכות חיים של המחמם. קורוזיה של ליבת המתכת, אם היא חשופה, היא עניין אחר.

הידרוליזה וחמצון ב-PFA
PFA מתפרק במים חמים על ידי הידרוליזה של קבוצות קצה לאביליות: CF₂-COOH + H₂O → CF₂-H + CO₂ + HF. זה מתרחש בקצוות השרשרת ומייצר HF שיכול לזרז התמוטטות נוספת. הקצב תלוי בטמפרטורה-(מכפיל את עצמו כל 15-20 מעלות צלזיוס) ובריכוז הראשוני של קבוצות הקצה (עדיף נמוך יותר). שום חמצן מומס אינו מעורב בתהליך זה.

חמצון יכלול שבירת הקשר C-F, שיש לו אנרגיית קשר של 485 קילו-ג'ל/מול. אנרגיה תרמית ב-100 C (כ-3 קילו ג'ל/מול) קטנה מדי. המסלול הכימי בנוכחות חמצן אינו נגיש ללא UV או זרז. היציבות החמצונית של PFA היא אחד היתרונות שלו.

נתונים ניסויים: השפלה במים DI רותחים (100 מעלות, 10,000 שעות)
פרמטר DO 0 ppm (חסר חמצן) DO 5 ppm (רווי אוויר) DO 10 ppm (מוגברת חמצן) חשיבות
ירידה במשקל (%) 0.02–0.05 0.02–0.06 0.03–0.07 כלום (שגיאות פנימיות)
שימור חוזק מתיחה (%) 98-102% 97-101% 96-100%אין שימור של התארכות בשבירה (%) 95-100% 94-99% 93-98% נטייה קלה (לא משמעותית)
הגדלת קשיות משטח Shore D +1 ל-+2 +1 ל-+2 +1 ל-+3 אין
ספיגת מים (%) 0.05–0.08 0.05–0.09 0.05–0.10 שחרור HF זניח (mg/m²·day) 0.01–0.03 0.01–0.03 0.01–0.04 אין
מסקנה: אין השפעה ניתנת לזיהוי של חמצן מומס על פירוק PFA מים רותחים.

השוואה עם פולימרים אחרים (לעיון בלבד)
יציבות הידרוליטית של פולימר ב-100 מעלות השפעה של מנגנון כשל בחמצן מומס
PFA Great None הידרדרות קלה
TeflonNone ExcellentPFA דומה ל-PVDFGood Slight Dehydrofluorination (מינימלי)
אתילן כלורוטריפלואורואתילן (ECTFE) חמצון קל טוב בקצוות השרשרת
ניילון 6,6 (פוליאמיד) הידרוליזה גרועה חזקה בתוספת חמצון=כישלון מהיר
PET (טומוגרפיה פליטת פוזיטרון) פיצול שרשרת חלשה חזקה
PEEK טוב ב-100 מעלות חמצון מתון של טבעות ארומטיות
מה זה אומר עבור עיצוב מחמם
עבור מחממי PFA במערכות מים DI רותחים, אינך צריך:

ניקו מים (טיהור N2) להגנת PFA. זה עוזר להפחית את עלות הציוד.

DO נמוך נשמר על ידי שימוש בצינורות-אטומים לחמצן או מכסי מיכל.

מעקב אחר DO לבריאות תנור החימום.

רכיבי מתכת (טנק, צנרת) עשויים עדיין לדרוש פירוק אוויר כדי למנוע קורוזיה. הגנת PFA אינה הגנה מתכתית. ה-PFA חי, אבל מיכל הנירוסטה אולי לא.

עם זאת, בטמפרטורות מעל 120 מעלות (מים בלחץ) פירוק PFA ממשיך מהר יותר ללא קשר לחמצן. הידרוליזה חשובה ב-150 מעלות (ירידה של 0.1-0.5% במשקל כל 1,000 שעות). אבל אפילו ב-150 מעלות. לחמצן אין השפעה ניכרת.

שדה לדוגמה
יצרנית מוליכים למחצה הפעילה לולאת מחזור של מים DI רותחים (100 מעלות, 18 MΩ. ס"מ) עם מחממי PFA. כדי להגן על מיכלי הנירוסטה וצינורות הנירוסטה, נורו המים<10 ppb DO. It cost a lot to maintain the deaerator. The fab was evaluated to run without deaeration (DO = 8 ppm) for 6 months. The PFA heaters' performance was unchanged. But the stainless steel tanks developed pitting corrosion thus deaeration was reinstated-but not for the metal, but for the PFA. The decision had nothing to do with the PFA heaters.

מסקנה: חמצן מומס אינו משפיע על היציבות ההידרוליטית של PFA
חמצן מומס (0-10 ppm) אינו משפיע על היציבות ההידרוליטית של PFA במים DI רותחים ב-100 מעלות. פירוק PFA מתרחש על ידי הידרוליזה של קבוצת הקצה, לא חמצון של עמוד השדרה. הירידה במשקל, חוזק המתיחה וההתארכות אינם משתנים לאחר 10,000 שעות ללא תלות ברמת ה-DO. עבור מערכות מים חמים מהנדסים יכולים להתעלם מ-DO בעת בחירת מחממי PFA. PFA אינו זקוק לאוורור למרות שמיכלי מתכת עשויים עדיין לעשות זאת. "הפולימר קשוח, המתכת לא. ניהול טמפרטורה חיוני (לשמור מתחת ל-120C למשך חיים ארוכים) והימנע מזיהומים (כלורידים, מתכות מעבר) שיכולות לזרז הידרוליזה. האויב של PFA אינו חמצן. וזיהומים הם. חום. שמור על המים נקיים ומתחת ל-120 מעלות צלזיוס וה-PFA לא ישרוד עבור O.xy.