Un produttore di componenti di precisione ha installato un riscaldatore a immersione in PTFE in un serbatoio di pulizia a base di solvente-. Il solvente era un idrocarburo clorurato utilizzato per rimuovere oli di lavorazione e residui di flusso. Il riscaldatore è stato valutato in base alla temperatura e alla densità di watt. Si è guastato dopo tre mesi-non a causa di un attacco chimico al PTFE, ma a causa della permeazione del solvente che ha degradato l'isolamento in MgO e ha causato un guasto a terra. Il polimero era intatto. Il riscaldamento non lo era.
I liquidi detergenti a base di solventi-rappresentano una sfida diversa rispetto ai prodotti chimici acquosi. La maggior parte dei solventi non attacca chimicamente il PTFE, ma permea il polimero più facilmente dell'acqua. La loro bassa viscosità ed elevata diffusività consentono loro di penetrare più velocemente nella guaina, raggiungendo l'isolamento MgO in mesi anziché in anni. Il risultato è un rapido declino della resistenza di isolamento e un eventuale guasto elettrico.
Perché i solventi permeano il PTFE più velocemente dell'acqua
La permeazione è un processo di diffusione. Le molecole si muovono attraverso la matrice polimerica schiacciandosi tra le catene. Le molecole più piccole si diffondono più velocemente. Anche le molecole che hanno un'affinità per i polimeri-parametri di solubilità simili-diffondono più velocemente.
L'acqua è una molecola piccola, ma è polare e ha una bassa affinità per la matrice non polare del PTFE. Permea lentamente. La maggior parte dei solventi organici sono non polari o leggermente polari e hanno una maggiore affinità per il PTFE. Si dissolvono più facilmente nella superficie del polimero e si diffondono più velocemente attraverso la matrice.
I solventi clorurati come cloruro di metilene, tricloroetilene e percloroetilene sono permeanti particolarmente aggressivi. Le loro piccole dimensioni molecolari e la moderata affinità per il PTFE consentono loro di penetrare nella guaina in settimane o mesi.
| Tipo di solvente | Dimensione molecolare | Affinità per il PTFE | Tasso di permeazione | Tempo di guasto dell'isolamento |
|---|---|---|---|---|
| Acqua | Piccolo | Basso | Molto basso | 2–5 anni |
| Alcoli | Piccolo | Moderare | Basso-moderato | 1–3 anni |
| Chetoni | Piccolo | Moderare | Moderare | 8-18 mesi |
| Solventi clorurati | Piccolo | Moderato-Alto | Alto | 3–8 mesi |
| Solventi aromatici | Moderare | Alto | Alto | 2–6 mesi |
| Idrocarburi alifatici | Moderare | Alto | Moderato-Alto | 4–12 mesi |
Tassi di permeazione dei solventi attraverso il PTFE e loro effetto sulla resistenza di isolamento
L'effetto della temperatura sulla permeazione del solvente
La temperatura accelera la permeazione del solvente nello stesso modo in cui accelera la permeazione dell'acqua. Ogni aumento di 10 gradi raddoppia all’incirca la velocità di diffusione. Un solvente che impiega dodici mesi per penetrare in una guaina a 40 gradi può penetrarla in sei mesi a 50 gradi e tre mesi a 60 gradi.
I serbatoi per la pulizia dei solventi spesso funzionano a temperature elevate per migliorare l'efficienza della pulizia. Un serbatoio a 60–70 gradi è particolarmente impegnativo per i riscaldatori ad immersione in PTFE perché la combinazione di elevata diffusività e temperatura elevata accelera la permeazione.
| Temperatura operativa | Tasso di permeazione relativa | Tempo di guasto dell'isolamento | Vita utile prevista |
|---|---|---|---|
| 30 gradi | 1× | 12-18 mesi | 2–3 anni |
| 40 gradi | 2× | 6–12 mesi | 1–2 anni |
| 50 gradi | 4× | 3–6 mesi | 6–12 mesi |
| 60 gradi | 8× | 6-12 settimane | 3–6 mesi |
| 70 gradi | 16× | 3–6 settimane | 4–8 settimane |
Permeazione del solvente e durata in funzione della temperatura operativa
Perché la permeazione dei solventi è più dannosa della permeazione dell'acqua
La permeazione dell'acqua riduce la resistenza dell'isolamento ma non attacca chimicamente l'MgO. La permeazione del solvente è diversa. Molti solventi organici reagiscono o dissolvono il riempitivo MgO, creando percorsi conduttivi e specie corrosive.
I solventi clorurati possono decomporsi a temperature elevate a contatto con MgO, liberando acido cloridrico. L'acido attacca l'MgO e l'elemento di resistenza, provocandone una rapida degradazione. Il riscaldatore si guasta dall'interno, anche se la guaina in PTFE appare intatta.
Anche il solvente che raggiunge l'MgO crea rischio di incendio. I solventi organici sono infiammabili e un riscaldatore che ha assorbito solvente nel suo isolamento può accendersi se l'elemento si surriscalda. Questo è un problema di sicurezza oltre che di affidabilità.
Linee guida pratiche per il servizio con solventi
I riscaldatori a immersione in PTFE non sono adatti a tutte le applicazioni di pulizia-a base di solventi. Per i solventi con bassi tassi di permeazione-come alcoli miscibili in acqua-e chetoni leggeri a temperature moderate-il PTFE può essere accettabile con un attento monitoraggio. Per solventi clorurati, solventi aromatici e funzionamento ad alta-temperatura, il PTFE non è consigliato.
In queste applicazioni dovrebbero essere presi in considerazione materiali alternativi. Il quarzo è resistente alla maggior parte dei solventi e ha una permeazione inferiore. L'acciaio inossidabile 316L è resistente a molti solventi ma può corrodersi in ambienti clorurati. Il titanio è resistente alla maggior parte dei solventi ma è costoso.
| Tipo di solvente | Idoneità al PTFE | Alternativa consigliata | Note |
|---|---|---|---|
| Detergenti acquosi | Eccellente | - | Il PTFE è l'ideale |
| Alcoli,<50°C | Bene | - | Monitorare la resistenza di isolamento |
| Chetoni,<50°C | Moderare | Quarzo | Vita utile più breve |
| Solventi clorurati | Non raccomandato | Quarzo, acciaio inossidabile | Rischio incendio, permeazione |
| Solventi aromatici | Non raccomandato | Quarzo, acciaio inossidabile | Alta permeazione |
| Idrocarburi alifatici | Marginale | Quarzo, acciaio inossidabile | Permeazione moderata |
Idoneità e alternative del PTFE per fluidi detergenti-a base di solventi
Monitoraggio e manutenzione nel servizio solventi
Se il PTFE viene utilizzato in servizi con solventi, il monitoraggio della resistenza di isolamento è essenziale. Un test mensile del megaohmmetro rivela l'andamento della permeazione. Una diminuzione superiore al 20% rispetto al basale indica che il solvente sta raggiungendo l'MgO.
La custodia del terminale deve essere sigillata e ventilata per evitare l'accumulo di vapori di solvente. I vapori dei solventi sono più pesanti dell'aria e possono accumularsi in ambienti bassi-. Uno sfiato o uno spurgo adeguati riducono il rischio di ingresso di vapori e di incendio.
La regolare pulizia della guaina rimuove residui e depositi di solventi che possono accelerarne la permeazione. Sono sufficienti un panno morbido e un solvente compatibile. La pulizia abrasiva danneggia la superficie del PTFE e crea siti di nucleazione per un'ulteriore permeazione.
Quando il PTFE non è la scelta giusta
Il PTFE non è la scelta giusta per fluidi detergenti a base di solventi-a temperature elevate, per solventi clorurati o aromatici o per applicazioni in cui il rischio di incendio costituisce un problema. In questi casi, il quarzo o l'acciaio inossidabile possono essere più adatti, a seconda del solvente e della temperatura di esercizio.
Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con guaine più spesse e involucri terminali sigillati prolunga la durata in servizio con solventi blandi, ma non può superare i limiti fondamentali di permeazione del PTFE in solventi aggressivi. Il processo di specifica richiede la composizione del solvente, la temperatura operativa e la cronologia della permeazione dei riscaldatori precedenti.
