Sebuah pabrik pemrosesan kimia memasang pemanas perendaman PTFE dalam penangas asam nitrat 30% pada suhu 92 derajat. Pemanas dinilai berdasarkan suhu dan bahan kimianya. Proses ini gagal setelah empat bulan-bukan karena permeasi saja, namun karena kombinasi permeasi dan oksidasi yang mendegradasi polimer lebih cepat dibandingkan mekanisme mana pun jika dilakukan sendiri. Selubungnya menunjukkan pola retakan halus dan warna kuning yang khas yang merupakan ciri serangan oksidatif.
Asam pengoksidasi-asam nitrat, asam kromat, asam sulfat pada konsentrasi tinggi, dan campuran yang mengandung peroksida atau persulfat-menyajikan tantangan khusus untuk pemanas imersi PTFE. Polimer menolak oksidasi pada suhu sedang. Di atas 90 derajat, kombinasi oksidasi dan tekanan termal melebihi kemampuan polimer untuk menahannya.
Mekanisme Oksidasi pada PTFE
PTFE tahan terhadap oksidasi karena ikatan karbon-fluor kuat dan atom fluor melindungi tulang punggung karbon. Namun, pada suhu tinggi, oksigen atau spesies pengoksidasi dapat menyerang polimer pada titik lemah-ujung rantai, sisa pengotor, dan cacat struktural yang timbul selama produksi.
Serangan tersebut menciptakan karbonil fluorida dan spesies teroksidasi lainnya yang mengganggu rantai polimer. Hasilnya adalah pemotongan rantai, yang mengurangi berat molekul dan kekuatan mekanik. Permukaan menjadi rapuh dan timbul retakan halus. Retakan tersebut memberikan jalan untuk penetrasi dan serangan lebih lanjut.
Laju oksidasi bergantung pada suhu, konsentrasi spesies pengoksidasi, dan keberadaan katalis seperti ion logam. Besi, tembaga, dan logam transisi lainnya dapat mengkatalisis oksidasi PTFE, sehingga mempercepat degradasi.
| Asam Pengoksidasi | Konsentrasi | Suhu | Tingkat Oksidasi | Kehidupan Layanan PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Asam nitrat | 20% | 70 derajat | Rendah | 3–5 tahun |
| Asam nitrat | 30% | 90 derajat | Sedang | 6–14 bulan |
| Asam nitrat | 30% | 95 derajat | Tinggi | 3–8 bulan |
| Asam nitrat | 50% | 90 derajat | Sangat tinggi | 2–6 bulan |
| Asam kromat | 20% | 90 derajat | Tinggi | 4–10 bulan |
| Asam sulfat | 70% | 95 derajat | Sedang–Tinggi | 6–14 bulan |
| Peroksida-mengandung | 5% | 80 derajat | Tinggi | 4–10 bulan |
Tingkat oksidasi dan masa pakai PTFE dalam layanan asam oksidasi di atas 90 derajat
Efek Gabungan Oksidasi dan Permeasi
Oksidasi dan permeasi tidak berdiri sendiri. Oksidasi menciptakan retakan permukaan dan meningkatkan permeabilitas polimer. Permeasi membawa kelembapan dan bahan kimia lebih dalam ke dalam polimer, di mana mereka dapat bereaksi dengan tempat teroksidasi. Kedua mekanisme tersebut saling memperkuat.
Pemanas dalam asam pengoksidasi di atas 90 derajat mungkin menunjukkan penurunan bertahap dalam ketahanan insulasi selama berminggu-minggu, diikuti dengan penurunan tiba-tiba ketika retakan menembus seluruh ketebalan selubung. Penurunan yang tiba-tiba sering kali merupakan indikasi pertama bahwa ada sesuatu yang salah. Saat itu, polimer tersebut telah terdegradasi selama berminggu-minggu.
Kombinasi ini lebih merusak dibandingkan mekanisme mana pun. Pemanas dalam asam non-pengoksidasi pada suhu yang sama mungkin bertahan dua kali lebih lama karena polimer tidak terdegradasi secara kimia-hanya meresap.
Suhu: Variabel Dominan
Laju oksidasi kira-kira dua kali lipat untuk setiap kenaikan suhu 10 derajat. Pemanas yang beroperasi pada suhu 95 derajat kira-kira empat kali lebih rentan terhadap oksidasi dibandingkan pemanas pada suhu 75 derajat, dan delapan kali lebih rentan dibandingkan pemanas pada suhu 65 derajat.
Suhu selubung bahkan lebih penting daripada suhu curah. Pemanas yang beroperasi pada suhu curah 92 derajat dengan suhu selubung 110 derajat membuat polimer mengalami laju oksidasi dua hingga empat kali lebih tinggi daripada suhu curah yang disarankan. Mengurangi kepadatan watt untuk menurunkan suhu selubung adalah cara paling efektif untuk memperpanjang masa pakai.
Pedoman Praktis Pengoksidasi Asam Di Atas 90 derajat
Untuk asam nitrat dengan konsentrasi di bawah 20% dan suhu di bawah 70 derajat, pemanas imersi PTFE bekerja dengan baik dan memberikan masa pakai yang dapat diterima. Konsentrasi di atas 30% atau 90 derajat, masa pakainya pendek, dan bahan alternatif harus dipertimbangkan.
Untuk asam kromat di atas konsentrasi 20% atau 90 derajat, laju oksidasi tinggi, dan pemanas mungkin rusak dalam beberapa bulan. Silikon karbida atau kuarsa mungkin lebih cocok, tergantung bahan kimianya.
Untuk asam sulfat dengan konsentrasi di atas 70% dan suhu 95 derajat, kombinasi suhu tinggi, konsentrasi tinggi, dan kondisi oksidasi mendorong polimer melampaui batas praktisnya.
| Kondisi Layanan | Kesesuaian PTFE | Kepadatan Watt yang Direkomendasikan | Kehidupan Layanan yang Diharapkan |
|---|---|---|---|
| 10–20% asam nitrat,<70°C | Bagus sekali | 1,2–1,5 W/cm² | 3–5 tahun |
| 20–30% asam nitrat, 70–90 derajat | Marjinal | 0,8–1,0 W/cm² | 8–18 bulan |
| 30–50% nitric acid, >90 derajat | Tidak cocok | - | <6 months |
| 10–20% asam kromat, 70–90 derajat | Marjinal | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 bulan |
| >20% chromic acid, >90 derajat | Tidak cocok | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 derajat | Marjinal | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 bulan |
Parameter kesesuaian dan spesifikasi PTFE untuk asam pengoksidasi di atas 90 derajat
Ketika PTFE Mencapai Batasnya
PTFE mencapai batasnya dalam layanan asam oksidasi ketika suhu melebihi 90 derajat dan konsentrasinya tinggi. Pada kondisi tersebut, laju oksidasi melebihi kemampuan ketahanan polimer, dan masa pakainya kurang dari satu tahun.
Dalam penerapan ini, bahan alternatif harus dipertimbangkan. Silikon karbida menawarkan kemampuan suhu lebih tinggi dan ketahanan terhadap oksidasi. Kuarsa cocok untuk asam nitrat dan kromat tetapi tidak untuk kondisi basa. Titanium bekerja dengan baik dalam asam nitrat tetapi tidak dalam asam pereduksi.
Ketika Konfigurasi Kustom Memperluas Kinerja PTFE
Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan kepadatan watt sangat rendah, selubung tebal, dan akses aliran yang ditingkatkan mengurangi suhu selubung dan laju oksidasi. Peningkatan ini dapat memperpanjang masa pakai dari beberapa bulan hingga lebih dari satu tahun dalam kondisi asam oksidasi marginal. Proses spesifikasi memerlukan kimia asam, konsentrasi, suhu operasi, dan watt yang dibutuhkan. Untuk fasilitas dengan rendaman asam pengoksidasi di atas 90 derajat, pendekatan khusus aplikasi ini memberikan solusi yang mungkin tidak diberikan pada pemanas standar.
