La sfida dei solventi ad alta-temperatura
La sintesi farmaceutica, la produzione chimica speciale e le operazioni di recupero dei solventi riscaldano i solventi organici a 150-200 gradi. A queste temperature, i solventi diventano aggressivi nei confronti dei materiali polimerici attraverso rigonfiamento, permeazione e plastificazione. Un polimero chimicamente resistente a temperatura ambiente può ammorbidirsi, gonfiarsi o dissolversi a 180 gradi.
Il PEEK-polietereterchetone-è un materiale termoplastico ad alte-prestazioni con una temperatura di servizio continuo di 250 gradi ed eccellente resistenza chimica. Viene utilizzato in applicazioni impegnative nel settore aerospaziale, petrolifero e del gas e nel trattamento chimico in cui altri polimeri falliscono. Il PTFE è inoltre classificato per un servizio continuo a 260 gradi con una resistenza chimica quasi-universale.
La scelta tra questi due polimeri premium per lo scambio termico di solventi caldi dipende dalle loro risposte fondamentalmente diverse all'esposizione ai solventi organici a temperature elevate.
La differenza di rigonfiamento e permeazione
I solventi organici penetrano nei polimeri diffondendosi nel volume libero tra le catene polimeriche. L'entità dell'assorbimento dipende dalla corrispondenza dei parametri di solubilità tra il solvente e il polimero e dalla quantità di volume libero nella struttura polimerica.
Il PEEK è un polimero semi-cristallino con una struttura aromatica rigida. La rigidità limita il volume libero e riduce l'assorbimento del solvente rispetto ai polimeri più flessibili. Nella maggior parte dei solventi organici a temperature inferiori a 150 gradi, il PEEK assorbe meno del 2% di solvente in peso e mantiene bene le sue proprietà meccaniche.
Sopra i 150 gradi la situazione cambia. L'aumento dell'energia termica espande il volume libero. Le molecole di solvente penetrano più profondamente. L'assorbimento aumenta. Il solvente assorbito plastifica il polimero-le molecole del solvente agiscono come lubrificanti interni tra le catene polimeriche, riducendo resistenza e rigidità. Un componente PEEK dimensionalmente stabile e meccanicamente solido a 120 gradi può gonfiarsi e ammorbidirsi a 180 gradi nello stesso solvente.
Il PTFE risponde diversamente. I legami carbonio-fluoro creano un polimero con una densità di energia coesiva molto bassa-le forze intermolecolari tra le catene sono deboli. I solventi assorbiti dalla maggior parte dei polimeri trovano poca attrazione termodinamica nei confronti del PTFE. Il parametro di solubilità del PTFE è di circa 6,2 (cal/cm³)^(1/2), lontano dalla maggior parte dei solventi organici. L'assorbimento è minimo anche a temperature elevate.
Tabella 1: PTFE e PEEK nell'esposizione a solventi organici a 180 gradi
| Parametro di prestazione | SBIRCIARE | PTFE |
|---|---|---|
| Temperatura di transizione vetrosa (gradi) | 143 | 115 (ma non si ammorbidisce in modo significativo a causa dell'elevata cristallinità) |
| Temperatura di utilizzo continuo (gradi) | 250 | 260 |
| Assorbimento del solvente in toluene a 180 gradi (%) | 3-8 | < 0.5 |
| Assorbimento del solvente in DMF a 180 gradi (%) | 5-12 | < 0.5 |
| Ritenzione della resistenza alla trazione dopo 1.000 ore in solvente a 180 gradi (%) | 60-80 (dipendente dal solvente) | > 90 |
| Variazione dimensionale nel solvente a 180 gradi (%) | 1-5 (gonfiore) | < 0.5 |
| Tasso di permeazione (relativo) | Moderare | Molto basso |
| Suscettibilità allo stress cracking | Moderato (in solventi aggressivi) | Nessuno |
| Resistenza al creep a 180 gradi sotto carico | Bene | Moderato (usare PTFE modificato) |
La distinzione dello stress cracking
Il PEEK è suscettibile allo stress cracking ambientale in alcuni solventi organici a temperature elevate. Quando un componente PEEK sottoposto a stress viene esposto a un solvente che ha una certa affinità per il polimero, le molecole del solvente si concentrano alle concentrazioni di stress-difetti superficiali, segni di lavorazione o punti di fissaggio. La plastificazione localizzata dà origine a micro-fessure che si propagano lentamente attraverso il materiale.
La suscettibilità dipende dal solvente specifico, dal livello di stress e dalla temperatura. È difficile fare previsioni per formulazioni di solventi nuove o miste. Uno scambiatore di calore che funziona perfettamente in un ambiente di prova potrebbe guastarsi prematuramente in produzione a causa di una minore impurità di solvente o di una temperatura operativa leggermente diversa.
Il PTFE non presenta alcuna suscettibilità nota allo stress cracking ambientale nei solventi organici. Il legame carbonio-fluoro è troppo forte per essere interrotto dalle molecole del solvente. La bassa densità di energia coesiva del materiale significa che anche i solventi che assorbono leggermente non possono concentrarsi abbastanza nei punti di stress per avviare la fessurazione.
Il compromesso tra creep e limiti di pressione-
Dove il PEEK ha un vantaggio è la resistenza al creep. La rigida struttura aromatica del PEEK fornisce una migliore resistenza allo scorrimento sotto carico rispetto al PTFE alla stessa temperatura. Un tubo in PEEK sotto pressione interna di vapore a 180 gradi si muove più lentamente di un tubo in PTFE nelle stesse condizioni.
Il PTFE modificato, con i suoi comonomeri-del ramo laterale, colma gran parte di questo divario. A 180 gradi e pressioni di vapore moderate (2-4 barg), il PTFE modificato fornisce un'adeguata durata di scorrimento per 5-10 anni di servizio. Per le applicazioni che richiedono pressioni di vapore più elevate a 180 gradi, la resistenza superiore al creep del PEEK può giustificare il costo del materiale più elevato e una compatibilità con i solventi più limitata.
Riepilogo
Il PTFE supera il PEEK nel servizio con solventi organici caldi a temperature superiori a 150 gradi, dove il rigonfiamento del solvente, la permeazione e le fessurazioni da stress sono le preoccupazioni dominanti. Il basso parametro di solubilità del PTFE e i forti legami C-F forniscono un assorbimento di solvente quasi pari a zero e un'immunità allo stress cracking. Il PEEK è suscettibile al rigonfiamento e alla rottura da stress ambientale in alcuni solventi a temperature elevate.
Il vantaggio del PEEK è la resistenza al creep superiore, che può essere decisiva nelle applicazioni con vapore ad alta-pressione. Per la maggior parte delle attività di riscaldamento di solventi organici entro i limiti di pressione del PTFE, il PTFE offre la più ampia compatibilità chimica e l'assenza del rischio di stress cracking.
L'analisi tecnica per la selezione del polimero dello scambiatore di calore con solvente caldo è disponibile previa presentazione dell'identità e della concentrazione del solvente, della temperatura e della pressione operativa, del carico termico e di eventuali risultati precedenti dei test di compatibilità del polimero.
