Das Problem der additiven Zerstörung
Saure Verkupferungsbäder enthalten organische Zusätze-Aufheller, Einebner und Benetzungsmittel-, die für die Herstellung glatter, glänzender Ablagerungen unerlässlich sind. Diese Zusatzstoffe sind thermisch empfindlich. Über 50 Grad beschleunigt sich ihr Abbau rapide. Doch die dampfbeheizte Tauchschlange, die das Bad auf 25-30 Grad hält, hat eine Rohrwandtemperatur, die weitaus höher ist – typischerweise 80–100 Grad für eine Metallschlange.
Jeder Liter Bad, der an der heißen metallischen Spulenoberfläche vorbei zirkuliert, erfährt einen Wärmeimpuls, der einen Bruchteil seines Zusatzstoffgehalts zerstört. Die Zusätze zerfallen zu öligen Rückständen, die das Bad verunreinigen und durch eine Kohlenstoffbehandlung entfernt werden müssen. Die kontinuierliche Zerstörung erfordert ein kontinuierliches Nachfüllen von Additiven, wodurch die Chemikalienkosten steigen und ein Wartungsaufwand entsteht.
Ein PTFE-Wärmetauscher arbeitet bei gleichem Dampfdruck mit einer deutlich niedrigeren Außenwandtemperatur als ein metallischer Wärmetauscher. Die niedrigere Wandtemperatur reduziert die Geschwindigkeit der thermischen Zersetzung des Additivs, verlängert die Lebensdauer des Additivs und reduziert den Chemikalienverbrauch.
Der Wandtemperaturunterschied
Die Außenwandtemperatur einer dampfbeheizten Tauchrohrschlange wird durch die Dampfsättigungstemperatur, den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Prozessseite und die Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand bestimmt. Bei einer Metallspule ist der Wärmewiderstand der Rohrwand vernachlässigbar. Die äußere Oberflächentemperatur nähert sich der inneren Dampftemperatur an, moderiert nur durch den prozessseitigen Filmkoeffizienten. Bei 3 barg Dampf bei 143 Grad in einem sauren Kupferbad bei 25 Grad beträgt die Außenwandtemperatur des Metallrohrs etwa 80–95 Grad.
Bei einer PTFE-Spule ist der Wärmewiderstand der Rohrwand von entscheidender Bedeutung. Die Temperatur sinkt entlang der 1,0 mm dicken PTFE-Wand um 20 {5}}30 Grad. Die äußere Oberflächentemperatur beträgt bei gleichem Dampfdruck und gleichen Badbedingungen etwa 55–65 Grad – eine Reduzierung um 20–35 Grad gegenüber dem metallischen Äquivalent.
Diese Reduzierung um 20–35 Grad bringt die PTFE-Wandtemperatur viel näher an die Badtemperatur und weiter von der Additivabbauschwelle entfernt. Die Rate der thermischen Additivzerstörung, die der Arrhenius-Kinetik mit einer Aktivierungsenergie von etwa 50–80 kJ/mol folgt, ist im Vergleich zur Metallspule um 50–80 % reduziert.
| Thermischer Parameter | Edelstahlspule | Titanspule | PTFE-Wärmetauscher |
|---|---|---|---|
| Dampfsättigungstemperatur bei 3 barg (Grad) | 143 | 143 | 143 |
| Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Temperaturabfall an der Rohrwand (Grad) | < 2 | < 1 | 20-30 |
| Außenwandtemperatur (Grad) | 80-95 | 85-98 | 55-65 |
| Relative Additivabbaurate | 1,0 (Grundlinie) | 0.9-1.1 | 0.2-0.5 |
| Jährlicher Glanzmittelverbrauch (relativ) | 1.0 | 0.95 | 0.4-0.6 |
Die additive Lebensverlängerung
Die reduzierte Additiv-Abbaurate verlängert die Lebensdauer jedes Aufheller- und Einebnerzusatzes. Die Additivkonzentrationen im Bad bleiben im Laufe der Zeit stabiler. Die Häufigkeit der Kohlenstoffbehandlung zur Entfernung von Zersetzungsprodukten wird reduziert. Das Bad arbeitet während eines größeren Teils seiner Betriebsdauer näher an seinem optimalen Additivgleichgewicht.
Zu den wirtschaftlichen Vorteilen gehören geringere Additiveinkäufe -typischerweise die höchsten Chemikalienkosten bei der Säureverkupferung-und geringere Kosten für die Kohlenstoffbehandlung. Bei einer sauren Verkupferungsanlage mit hohem Volumen kann die jährliche Reduzierung der Chemikalienkosten durch die PTFE-Umwandlung 15.000 bis 30.000 US-Dollar pro Tank übersteigen.
Ebenso wichtig ist der Prozessvorteil. Stabilere Additivkonzentrationen führen zu gleichmäßigeren Ablagerungseigenschaften-Glanz, Duktilität und Nivellierung. Die Verringerung der Ansammlung von Zersetzungsprodukten verringert das Risiko von Ablagerungsfehlern, die zu Ausschuss und Nacharbeit führen.
Die Reduzierung von Nebenprodukten
Wenn sich organische Zusatzstoffe auf einer heißen Metalloberfläche zersetzen, umfassen die Zersetzungsprodukte ölige Rückstände, organische Säuren und Polymerspezies. Diese Nebenprodukte stören den Galvanisierungsprozess. Ölige Rückstände bilden einen Oberflächenfilm, der Löcher verursacht. Organische Säuren verändern den pH-Wert des Bades. Polymere Spezies integrieren sich in die Ablagerung und verringern so die Duktilität.
Die niedrigere Wandtemperatur von PTFE reduziert nicht nur die Gesamtmenge an Zersetzungsprodukten, sondern verschiebt auch den Zersetzungsweg. Bei niedrigeren Temperaturen werden die Zusatzstoffe weniger vollständig zersetzt, wodurch weniger der schädlichsten Nebenprodukte entstehen. Die Zersetzungsprodukte, die sich bilden, sind eher flüchtig und entweichen aus dem Bad, als dass sie sich als nicht-flüchtige Rückstände ansammeln.
Zusammenfassung
Ein PTFE-Wärmetauscher reduziert den thermischen Abbau organischer Additive bei der sauren Verkupferung, indem er mit einer Außenwandtemperatur arbeitet, die 20–35 Grad niedriger ist als bei einem metallischen Äquivalent. Die niedrigere Wandtemperatur, eine Folge des thermischen Widerstands von PTFE, verringert die Zersetzungsrate des Additivs um 50–80 %. Der Additivverbrauch sinkt, die Häufigkeit der Kohlenstoffbehandlung wird verringert und die Qualität der Ablagerungen wird gleichmäßiger. Die jährliche Einsparung von Chemikalienkosten durch eine längere Lebensdauer der Additive ist ein wesentlicher Bestandteil des Geschäftsmodells der PTFE-Umwandlung.
Technische Unterstützung für die PTFE-Wärmetauscherspezifikation in additivempfindlichen Galvanisierungsbädern ist nach Vorlage der Badchemie, der Betriebstemperatur, der aktuellen Additivverbrauchsraten und des Dampfdrucks verfügbar.
