איום פיצוח הלחץ
פיצוח מתח סביבתי מתרחש כאשר פולימר תחת מתח מתיחה נחשף לסביבה כימית ספציפית. הכימיקל, שאולי אין לו השפעה נראית לעין על הפולימר הלא-לחוץ, מאיץ היווצרות סדקים בנקודות ריכוז מתח. הסדקים מתפשטים לאט דרך החומר, ובסופו של דבר גורמים לכשל שביר בעומסים הרבה מתחת לחוזק התפוקה הרגיל.
ממיסים כלוריים-דיכלורומתאן, טריכלורואתילן, פרכלורואתילן-הם סוכני פיצוח מתח ידועים עבור פולימרים רבים. צינורות מחליפי חום בשירות ממס חווים מתח מתיחה מלחץ קיטור פנימי (לחץ חישוק) ומהתפשטות תרמית מוגבלת. השילוב של מתח וחשיפה לממסים יוצר את התנאים לפיצוח מתח סביבתי.
PCTFE (polychlorotrifluoroethylene) הוא פולימר מופלר חלקית עם היחידה החוזרת -CF₂-CFCl-. יש לו חוזק מתיחה גבוה יותר וזחילה נמוכה יותר מאשר PTFE, מה שהופך אותו לאטרקטיבי עבור יישומי מחליף חום. עם זאת, ההתנגדות שלו לפיצוח מתח בממיסים עם כלור שונה מ-PTFE בשל הבדלים במבנה המולקולרי ובאינטראקציה של הממס.
מנגנון פיצוח המתח
פיצוח מתח מתחיל כאשר מולקולות ממס חודרות לתוך פגמי משטח מיקרוסקופיים-שריטות, חללים או גבולות אמורפיים-גבישיים-בנקודות של ריכוז מתח מתיחה. הממס הנספג מיישם את הפולימר באופן מקומי, מגביר את ניידות השרשרת ומפחית את הלחץ הנדרש לקריעת השרשרת. קצה הסדק מתקדם כאשר שרשראות פולימר נקרעות בהשפעה משולבת של מתח ופתרון.
PTFE עמיד מאוד בפני פיצוח מתח על ידי ממיסים עם כלור. קשרי C-F החזקים, מעטפת הפלואור הצפופה סביב עמוד השדרה של הפחמן, ופרמטר המסיסות הנמוך תואמים לממיסים עם כלור, כולם תורמים לעמידות זו. למולקולות ממס כלור יש יכולת מוגבלת לחדור אל פני השטח של PTFE ועוד פחות יכולת לשבש את מבנה הפולימר ברגע שהוא נכנס.
ל-PCTFE, עם אטומי כלור המחליפים חלק מאטומי הפלואור בשרשרת הפולימר, יש אינטראקציה שונה עם ממיסים עם כלור. קשר C-Cl ניתן לקיטוב יותר מקשר C-F. תחליף הכלור יוצר מבנה פולימרי מעט יותר פתוח. ממיסים עם כלור חודרים ל-PCTFE בקלות רבה יותר מ-PTFE ויש להם אפקט פלסטי גדול יותר. תחת לחץ מתיחה, PCTFE רגיש יותר לפיצוח מתח סביבתי בממיסים עם כלור חמים מאשר PTFE.
| פרמטר פיצוח מתח | PTFE | PCTFE |
|---|---|---|
| מבנה פולימרי | -CF₂-CF₂- | -CF₂-CFCl- |
| עמידות לחדירת ממס | מְעוּלֶה | טוֹב |
| פלסטיות על ידי ממיסים עם כלור | מִינִימָלִי | לְמַתֵן |
| מתח סף פיצוח מתח ב-CH₂Cl₂ ב-80 מעלות (MPa) | >5 (לא נצפה סדקים בלחץ שירות) | 2-4 (נצפתה פיצוח) |
| חיי שירות ברכיבים אורגניים חמים עם כלור תחת לחץ | 10+ שנים | 2-5 שנים |
| מצב כשל | זחילה (רקיעה) | פיצוח מתח (שביר) |
האינטראקציה בין טמפרטורה ומתח
הרגישות לפיצוח מתח של PCTFE עולה עם הטמפרטורה והלחץ המופעל. ב-60 מעלות, PCTFE עשוי לשרת במשך שנים מבלי להיסדק. ב-80 מעלות, עם עומס החישוק מלחץ קיטור פנימי (2-4 MPa), פיצוח יכול להתחיל בתוך חודשים. ב-100 מעלות, סביר להניח שפיצוח מהיר.
התנגדות פיצוח הלחץ של PTFE היא למעשה בלתי תלויה בטמפרטורה של עד 260 מעלות. הגורם המגביל עבור PTFE בשירות ממיסים עם כלור הוא זחילה תחת הלחץ המופעל, לא פיצוח מתח. מצב הכשל הוא רקיע-הצינור מתעוות באיטיות ובסופו של דבר נקרע לאחר חריגה ממגבלת מתח הזחילה שלו-ולא פיצוח שביר עם מעט אזהרה.
המדריך ליישום
עבור מחליפי חום בשירות אורגני חם עם כלור, PTFE הוא החומר המומלץ. ההתנגדות המעולה של פיצוח מתח מספקת ביצועים אמינים לטווח ארוך-. יש להגביל את ה-PCTFE ליישומים שבהם חסרים ממיסים עם כלור, או שבהם טמפרטורות ההפעלה נמוכות מ-60 מעלות ורמת הלחץ נמוכה. חוזק המתיחה הגבוה יותר של PCTFE אינו מפצה על הרגישות שלו לפיצוח מתח בסביבה כימית זו.
תַקצִיר
לשפופרות מחליף חום של PTFE יש עמידות טובה יותר בפני פיצוח מתח מאשר PCTFE בממיסים אורגניים חמים עם כלור. תחליף הכלור של PCTFE מאפשר חדירת ממס ופלסטיקה גדולה יותר, מה שמוביל לפיצוח מתח שביר תחת עומס מתיחה בטמפרטורות מעל 60 מעלות. PTFE חסין למנגנון זה ונכשל רק על ידי זחילה רקיעה צפויה. PTFE הוא החומר המומלץ עבור מחליפי חום בשירות ממיסים עם כלור.
תמיכה הנדסית לבחירת פולימרים בשירות ממס זמינה עם הגשת זהות הממס, טמפרטורת ההפעלה, לחץ הקיטור וכל היסטוריית ביצועי חומר קודמת.
