化学的攻撃を伴わない亀裂 PTFE ヒーターの環境応力亀裂を理解する

18 か月間使用した後、非イオン性界面活性剤を含む中性 pH の洗剤溶液に PTFE 浸漬ヒーターを浸漬すると、表面に微細な亀裂のネットワークが形成されました。-亀裂は主に U ベンドの外側エッジと、シースがサポート クランプに接触するフランジ取り付け部位に発生していました。化学適合性チャートは、溶液が PTFE に対して完全に不活性であり、動作温度が 110 度未満に保たれ、酸化劣化やバルク攻撃の症状がないことを示しました。動作中に重大な機械的負荷はありませんでした。しかし、残留引張応力が非常に多かった場所で、シースの完全性が破壊されました。このパターンは材料および信頼性のエンジニアによく発生するため、PTFE ヒーター システムでの環境応力亀裂の発生を防ぐ方法を学ぶ必要があります。

環境応力亀裂 (ESC) は、少量の引張応力が特定の化学的条件と相互作用して破壊が始まり、拡大するときに発生します。どちらの要因も単独で損傷を引き起こすわけではありません。 PTFE は、すべての半結晶性ポリマーと同様に、それぞれが単独で作用する場合の純粋な機械的過負荷や化学的攻撃に対して非常に耐性があります。しかし、一部の流体が混合されると、ストレスクラッキング剤として作用する可能性があります。-これらの薬剤は、いかなる形でもバルクポリマーマトリックスを分解したり溶解したりしません。その代わりに、亀裂の先端にある非晶質領域がより柔軟になり、分子間圧が低下し、鎖の滑りや微小な空隙の合体に必要なエネルギーが低下します。-したがって、亀裂の伝播は、応力が材料の短期引張降伏強度よりもはるかに低い場合に発生します。-これは通常、製造または設置によってのみ引き起こされます。


界面活性剤、特に洗浄液やプロセス添加剤に含まれるエトキシル化非イオン性およびアニオン性形態は、フッ素ポリマーの一般的な応力分解剤です。-高温では、アルコール、ケトン、芳香族炭化水素などの一部の有機溶媒も同様に作用します。アミンやフッ素化湿潤剤などの特定のプロセス添加剤は、ESC を引き起こす可能性があります。実験室でのテストでは、この相互作用が本物であることが明らかになりました。何年も水中に放置された PTFE サンプルには変化が見られませんが、制御された引張荷重で水中に置かれたサンプルには数週間以内に亀裂が見られます。この現象はもっぱらストレスと薬物への同時曝露に依存しています。

亀裂の形態は明確な診断指標を提供します。 ESC は、最も大きな引張応力の方向に沿って、小さな、多くの場合枝分かれした亀裂を生成します。 PTFE ヒーター シースでは、これらの亀裂は製造された曲げの外側から始まり、冷間成形プロセスで最も残留張力が固定されます。-。局所的な応力が発生する可能性があるその他の場所としては、クランプされたフランジやサポートの接触ゾーンがあり、取り付けトルクや熱膨張が原因となる可能性があります。光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を使用して観察すると、破断面は原線維が引き抜かれており、かなり滑らかに見えます。-。酸化攻撃中に起こる穴あき、漂白、材料の損失がありません。多くの亀裂がつながって水が侵入しない限り、壁を薄くしてもあまり問題になりません。

環境応力亀裂を阻止するには、機械設計を最適化し、化学的スクリーニングを行う必要があります。残留応力を軽減するための最初のステップは、ヒーターが正しい形状であることを確認することです。たとえば、シース直径の少なくとも 3 倍の大きい曲げ半径を指定すると-、低応力サービスで一般的に使用される最小の 1.5 倍の半径と比較して、ピーク引張応力が大幅に低下します-。 -成形後出荷前の応力除去アニーリングにより、所定の位置に残っている製造応力が除去されます。取り付け手順では、過剰なクランプや鋭い接触エッジを最小限に抑える必要があります。{9}継続的なサポートブラケットと拡張ループにより、負担がさらに分散されます。実際には、ESC の亀裂は、設置前にきつく曲げすぎたヒーターによく発生します。これにより残留応力が高くなり、穏やかな化学環境で使用できるようになります。

流体の信頼性基準では、一般的な適合性表を使用する代わりに、応力がかかったサンプルを評価することによって、応力亀裂の可能性のある物質を見つける必要があると定められています。{0} ESC は同時に機械的な負荷を必要とするため、通常、一般的なチャートではリスクについて言及されていません。必要なデータは、適切な温度、濃度、曲げ半径で行われた対象を絞った浸漬試験から得られます。エージェントが見つかった場合、エージェントを阻止する一般的な方法は、より大きな曲げ半径を持つヒーターを使用し、要素の長さ全体にわたる機械的応力集中を軽減するためにエージェントが適切にサポートされていることを確認することです。

環境応力亀裂は PTFE ヒーターの真の故障モードですが、回避することができます。機械的要因と化学的要因をそれぞれ個別に評価するのではなく、同時に検査する必要があります。一般的な適合性と温度の制約が満たされると、残留応力、亀裂の伝播、応力亀裂の発生要因、および曲げ半径が最も重要な設計要素になります。{2}}応力分解剤が含まれる可能性のあるプロセスの場合、より耐久性を高めた変性 PTFE コポリマーなどの特殊な材料グレードや、内蔵の応力緩和スリーブなどのカスタム設計機能についてヒーター メーカーに相談すると、追加の安全マージンを追加できます。-環境応力亀裂の両方の原因に慎重に対処することで、材料および信頼性のエンジニアは、これまで混乱していた故障メカニズムを、PTFE ヒーターの仕様と耐用年数の完全に制御された部分に変えます。