הבוצה שממשיכה לחזור
אמבט חריטה מוליכים למחצה המכילים חומצה הידרופלואורית וחומצה חנקתית מעבד פרוסות סיליקון. מחמם הטבילה מקוורץ, שנבחר בשל התאימות הכימית שלו, מפתח ציפוי בוצה שקוף תוך שבועות של שירות. הבוצה מפחיתה את העברת החום, דורשת ניקוי חודשי, ובסופו של דבר מאלצת החלפת מחמם כאשר ניקוי מכני פוגע במשטח הקוורץ השביר.
הבוצה היא סיליקה-סיליקון דו חמצני-אבל לא מהוופלים. זה נובע מהכימיה באמבטיה עצמה. ה-HF תוקף ללא הרף את מחמם הקוורץ, וממיס סיליקון ממשטח המחמם ליצירת חומצה hexafluorosilicic. כאשר ריכוז הסיליקון המומס נבנה ליד משטח המחמם החם, ההקספלורוסיליקט עובר הידרוליזה חזרה לסיליקה, אשר משקע כמו משקע ג'לטיני על פני השטח שיצרו אותו.
מחליף חום PTFE באותה אמבטיה נשאר נקי מבוצת סיליקה. הפלואורופולימר אינו מכיל סיליקון להמסה, אינו מייצר הקספלואורוסיליקט, ואינו מספק אתרי משקעים לסיליקה שנוצרה במקומות אחרים באמבטיה. אנרגיית פני השטח הנמוכה מונעת הידבקות של חלקיקי סיליקה כלשהם שנסחפים אל פני השטח.
מחזור המשקעים-של פירוק הקוורץ
קוורץ הוא סיליקון דו חמצני. בתמיסות המכילות HF-, התגובה הבאה מתרחשת על פני הקוורץ:
SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O
חומצה hexafluorosilicic מסיס ומתפזרת הרחק מפני השטח לתוך האמבט בתפזורת. בטמפרטורה הגבוהה של משטח המחמם, התגובה ההפוכה פעילה גם היא. ההקספלואורוסיליקט מבצע הידרוליזה:
H₂SiF₆ + 2H₂O → SiO₂ + 6HF
הסיליקה נופלת. מכיוון שריכוז הסיליקון המומס הוא הגבוה ביותר בקרבת משטח הקוורץ המתמוסס, ומכיוון שהמשטח מספק אתרי גרעין, המשקעים מתרחשים באופן מועדף על המחמם עצמו.
התוצאה נטו היא מחזור רציף: הקוורץ מתמוסס, הסיליקון המומס מתפזר למרחק קצר, הסיליקון משקע כסיליקה על פני השטח. המחמם מאבד לאט לאט מסה מהתמוססות ובו זמנית צובר ציפוי סיליקה. יש להסיר את הציפוי בצורה מכנית או כימית, מה שפוגע בקוורץ ומאיץ את ההמסה שלאחר מכן.
טבלה 1: היווצרות בוצת סיליקה על ידי חומר מחליף חום באמבט 10% HF Etch ב-50 מעלות
| חוֹמֶר | פירוק סיליקה ממחמם | קצב היווצרות בוצה | חוזק הידבקות בוצה | שיטת ניקוי | השפעת חיי השירות |
|---|---|---|---|---|---|
| קְוָרץ | כן (רציף SiO₂ → H₂SiF₆) | גבוה (נוצר-עצמי) | חזק (קשר כימי) | גרידה מכנית (פוגעת במשטח) | 12-18 חודשים |
| נירוסטה | לא (אבל פירוק מתכת מהיר) | בינוני (משקעים מאמבטיה) | לְמַתֵן | ניקוי חומצה (משית מתכת) | 2-6 חודשים |
| טִיטָן | לא (אבל פירוק מהיר ב-HF) | N/A | N/A | N/A | שעות עד ימים |
| סיליקון קרביד | קל (חימצון פני השטח) | נָמוּך | חַלָשׁ | מכני או כימי | 24-36 חודשים |
| PTFE | אין (ללא תוכן סיליקון) | אין (ללא מקור פירוק) | חלש מאוד (ללא הידבקות) | שטיפה במים | 10+ שנים |
PTFE: ללא סיליקון, ללא פירוק, ללא בוצה
PTFE מכיל רק פחמן ופלואור. אין סיליקון בפולימר שיגיב עם HF. קשר הפחמן -פלואור יציב מבחינה תרמודינמית נגד התקפת HF. למחזור המשקעים של הפירוק- שיוצר בוצת סיליקה על קוורץ פשוט אין נקודת התחלה על משטח PTFE.
סיליקה עדיין עשויה להיווצר באמבטיה בתפזורת מסיליקון המומס מהוופלים שנחרטים. סיליקה זו יוצרת חלקיקים קולואידים התלויים באמבטיה. על משטח קוורץ או מתכת, חלקיקים אלה נדבקים באמצעות קשר כימי עם קבוצות הידרוקסיל פני השטח או משיכה אלקטרוסטטית. ב-PTFE, אנרגיית פני השטח הנמוכה (18-20 mN/m) מונעת הידבקות. חלקיקים הנוגעים למשטח נסחפים על ידי זרימת אמבטיה רגילה. כל מי שמתיישב באופן זמני נשטף בקלות במהלך תחזוקה שוטפת.
התוצאה היא משטח מחליף חום שנשאר נקי ללא ניקוי מכני או כימי. ביצועי העברת החום נשארים יציבים. אין צורך בזמן השבתה של תחזוקה- הקשורה לבוצה.
יציבות כימיה של אמבטיה
היעדר התמוססות סיליקה ממחליף החום מייצב את כימיה האמבטיה. באמבטיות עם מחממי קוורץ, ריכוז הסיליקון המומס עולה עם הזמן כאשר המחמם תורם סיליקון באופן רציף. זה משנה את קצב הצריבה והסלקטיביות על הפרוסים, ומצריך ניתוח והתאמת אמבטיה תכופים יותר.
עם מחממי PTFE, ריכוז הסיליקון באמבטיה מגיע רק מחריטת פרוסות-מקור צפוי וניתן לשליטה. כימיה האמבטיה יציבה יותר, קצבי החריטה עקביים יותר וחיי האמבטיה מתארכים. ביטול קלט כימי אחד בלתי מבוקרת מפשט את בקרת התהליך.
תַקצִיר
הצטברות בוצת סיליקה על מחליפי חום קוורץ באמבטי תחריט המכילים פלואוריד- נובעת ממחזור משקעים של פירוק- שבו המחמם עצמו מספק את הסיליקון שיוצר את הבוצה. מחליפי חום PTFE מבטלים את המחזור הזה מכיוון שהפלואורופולימר אינו מכיל סיליקון להמסה. משטח האנרגיה הנמוך- מונע הידבקות של חלקיקי סיליקה הנוצרים במקומות אחרים באמבטיה.
התוצאה היא משטח העברת חום נקי ללא ניקוי מכני או כימי, ביצועי העברת חום יציבים, חיי ציוד ארוכים יותר וכימיה עקבית יותר של אמבטיה. ביטול המסת הסיליקון מהמחמם מסיר משתנה בלתי מבוקר מתהליך הצריבה.
ניתוח הנדסי עבור מפרט מחליף חום PTFE באמבטיות HF-המכילות תחריט זמין עם הגשת הרכב האמבטיה, טמפרטורת ההפעלה, חומר המחמם הנוכחי ותדירות הניקוי ונתוני יציבות קצב הצריבה.
