Der Geschwister-Polymer-Vergleich
PTFE und FEP sind beide vollständig fluorierte Polymere. Sie verfügen über die gleiche Kohlenstoff-Fluorbindungschemie, die eine nahezu-universelle chemische Beständigkeit bietet. FEP-fluoriertes Ethylenpropylen-ist im Wesentlichen ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen, wobei das HFP-Comonomer kurze Perfluormethyl-Seitenzweige einführt, die die Kristallinität verringern und die Verarbeitung in der Schmelze ermöglichen-.
Da beide perfluoriert sind, ist ihre chemische Beständigkeit gegenüber einzelnen Säuren und Laugen vergleichbar. Beide sind für den Einsatz im gesamten pH-Bereich ausgelegt. Der Unterschied zwischen ihnen zeigt sich im zyklischen Betrieb,{{2}bei dem der Wärmetauscher abwechselnd saurer und alkalischer Belastung ausgesetzt ist-durch ihre unterschiedlichen Reaktionen auf Permeation, thermische Zyklen und mechanische Beanspruchung in der wechselnden chemischen Umgebung.
Der Unterschied zwischen Permeation und chemischem Kreislauf
FEP hat eine geringere Kristallinität als PTFE-typischerweise 40-50 % gegenüber 50–70 %. Die amorphen Bereiche in einem teilkristallinen Polymer haben ein höheres freies Volumen als die kristallinen Bereiche. Die Permeation kleiner Moleküle erfolgt überwiegend über die amorphe Phase.
Wenn FEP einer Säurelösung ausgesetzt wird, dringen Säuremoleküle in die amorphen Bereiche ein. Wenn dieselbe FEP-Komponente dann einer alkalischen Lösung ausgesetzt wird, reagiert die eingedrungene Säure mit dem einströmenden Alkali innerhalb der Polymermatrix. Bei der Reaktion entstehen Wasser und Salz. Das im begrenzten Raum des freien Polymervolumens gebildete Wassermolekül dehnt sich aus, wenn es bei Betriebstemperatur verdampft. Durch die Expansion entstehen mikroskopisch kleine Druckimpulse im Polymer.
Über viele Säure-{0}}Basenzyklen hinweg verursachen diese wiederholten Mikro-druckereignisse eine Form der Ermüdung, die nur bei Permeationszyklen auftritt. Mikro-Hohlräume wachsen und verschmelzen in den amorphen Regionen. Die mechanischen Eigenschaften des Polymers -insbesondere die Bruchdehnung- nehmen schneller ab, als allein aufgrund der thermischen Alterung zu erwarten wäre.
PTFE verfügt aufgrund seiner höheren Kristallinität über ein geringeres amorphes freies Volumen für die Permeation. Die Säure- und Alkalimoleküle dringen weniger tief ein. Der Effekt der zyklischen Permeationsermüdung wird entsprechend reduziert. Die mechanischen Eigenschaften bleiben bei zyklischer Belastung über einen längeren Zeitraum stabil.
Tabelle 1: Leistungsvergleich von zyklischer Säure-Alkali (10 % HCl/10 % NaOH im Wechsel, 80 Grad, 1-Stunden-Zyklen)
| Leistungsparameter | FEP | PTFE |
|---|---|---|
| Kristallinität (%) | 40-50 | 50-70 |
| Amorpher Anteil (%) | 50-60 | 30-50 |
| Säurepermeationsrate (relativ) | 1.5-2.0× | 1.0× |
| Zyklischer Permeationsermüdungseffekt | Messbar | Minimal |
| Beibehaltung der Zugfestigkeit nach 5.000 Zyklen (%) | 70-85 | 90-95 |
| Dehnungserhalt nach 5.000 Zyklen (%) | 55-75 | 85-95 |
| Bildung von Mikro-Hohlräumen | Wird in amorphen Regionen nachgewiesen | Minimal |
| Dauerbetriebstemperatur (Grad) | 204 | 260 |
| Schmelz-Verarbeitbarkeit | Ja (schweißbar) | NEIN |
| Relative Materialkosten | 1.2-1.5× | 1.0× |
Der Vorteil der Schweißbarkeit von FEP
Der einzige klare Vorteil von FEP gegenüber PTFE ist die Verarbeitbarkeit in der Schmelze. FEP kann extrudiert, spritzgegossen -und-, was für die Herstellung von Wärmetauschern entscheidend ist,-stumpf-geschweißt werden. Geschweißte FEP-Rohr---{8}}Verbindungen können ohne mechanische Anschlüsse, ohne Kompressionsdichtungen und ohne Spalten hergestellt werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil bei ultra-hoch-Anwendungen, bei denen mechanische Armaturen ein Kontaminationsrisiko darstellen.
PTFE kann mit herkömmlichen Methoden nicht schmelz-geschweißt werden. Rohrverbindungen basieren auf Klemmverschraubungen, Bördelverbindungen oder Flanschverbindungen. Diese mechanischen Verbindungen sind zuverlässig, verursachen jedoch Risse und erfordern ein regelmäßiges Nachziehen des Drehmoments.
Für Anwendungen, bei denen die Anzahl der Säure-{0}}Base-Zyklen moderat ist und die Eliminierung mechanischer Einbauten eine höhere Priorität hat als die Beständigkeit gegen zyklische Permeationsermüdung, kann FEP trotz seiner geringeren Kristallinität bevorzugt werden.
Der Temperatur-Deckenunterschied
Die Dauerbetriebstemperatur von FEP von 204 Grad ist für die meisten chemischen Prozesse ausreichend, liegt jedoch unter der 260-Grad-Einstufung von PTFE. Bei Hochtemperatur--zyklischen Säuren-alkalischen Anwendungen-, beispielsweise bei der Beheizung chemischer Reaktoren, wo die Temperaturen 200 -220 Grad erreichen können, bietet PTFE einen größeren Sicherheitsspielraum.
Bei Temperaturen über 180 Grad beschleunigen die geringere Kristallinität und der höhere amorphe Anteil von FEP sowohl die Permeation als auch die mechanischen Effekte der zyklischen Belastung. Der Leistungsunterschied zwischen FEP und PTFE vergrößert sich mit steigender Temperatur.
Zusammenfassung
PTFE übertrifft FEP im zyklischen sauren-alkalischen Einsatz aufgrund seiner höheren Kristallinität, die die Permeation in die amorphe Phase reduziert und die zyklische Permeationsermüdung minimiert, die die mechanischen Eigenschaften von FEP zunehmend verschlechtert. PTFE behält nach Tausenden von chemischen Zyklen 90–95 % seiner Zugfestigkeit, verglichen mit 70–85 % bei FEP.
Die Schweißbarkeit von FEP bietet einen Vorteil bei ultra-hoch-Anwendungen, bei denen mechanische Verbindungen unerwünscht sind. Für den industriellen zyklischen chemischen Einsatz innerhalb der Temperaturgrenzen von FEP bietet die Wahl ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der überlegenen zyklischen Haltbarkeit von PTFE und der Fertigungsflexibilität von FEP.
Eine technische Analyse für die Auswahl von Fluorpolymeren im zyklischen chemischen Einsatz ist nach Vorlage der Säure- und Alkalikonzentrationen, der Zyklushäufigkeit und -dauer, der Betriebstemperatur, der Reinheitsanforderungen und der aktuellen Daten zur Gerätelebensdauer verfügbar.
