Qual è l'effetto dell'ossigeno disciolto sulla stabilità idrolitica del PFA nell'acqua DI bollente a 100 gradi?

È stato riscontrato che l'ossigeno disciolto (DO) nell'acqua deionizzata bollente (-100 gradi ) non altera in modo significativo la stabilità idrolitica del PFA. Molti polimeri tecnici (nylon, PET) si decompongono rapidamente in acqua calda con ossigeno, mentre la struttura portante di carbonio-fluoro del PFA è particolarmente resistente agli attacchi ossidativi. Studi di invecchiamento accelerato a 100 gradi in acqua DI con livelli di DO da 0 ppm (deossigenato, spurgo con N₂) a 10 ppm (saturazione di aria) non hanno mostrato alcun cambiamento nella perdita di peso, nel mantenimento della resistenza alla trazione o nella fessurazione superficiale dopo 10.000 ore. Il meccanismo di degradazione dominante del PFA nell'acqua ad alta temperatura è l'idrolisi dei gruppi terminali in traccia (-COF, -COOH) piuttosto che l'ossidazione della struttura principale. Questa idrolisi non è promossa dall'ossigeno disciolto. Per i riscaldatori PFA nei sistemi di acqua deionizzata bollente (sterilizzatori, circuiti di acqua ultrapura, ecc.) la deaerazione non è necessaria per la longevità del riscaldatore. La corrosione dell'anima metallica, se esposta, è un'altra questione.

Idrolisi e ossidazione nel PFA
Il PFA si decompone in acqua calda mediante idrolisi dei gruppi terminali labili: CF₂-COOH + H₂O → CF₂-H + CO₂ + HF. Ciò si verifica alle estremità della catena e produce HF che può catalizzare un'ulteriore degradazione. La velocità dipende dalla temperatura-(raddoppia ogni 15-20 C) e dalla concentrazione iniziale dei gruppi terminali (è preferibile una concentrazione inferiore). In questo processo non è coinvolto l'ossigeno disciolto.

L'ossidazione comporterebbe la rottura del legame C-F, che ha un'energia di legame di 485 kJ/mol. L'energia termica a 100 C (circa 3 kJ/mol) è troppo piccola. Il percorso chimico in presenza di ossigeno non è accessibile senza UV o catalizzatore. La stabilità ossidativa del PFA è uno dei suoi vantaggi.

Dati sperimentali: Degradazione in acqua DI bollente (100 gradi, 10.000 ore)
Parametro DO 0 ppm (deossigenato) DO 5 ppm (aria satura) DO 10 ppm (potenziato con ossigeno) Importanza
Perdita di peso (%) 0,02–0.05 0.02–0.06 0.03–0,07 Niente (errori interni)
Ritenzione della resistenza alla trazione (%) 98-102% 97-101% 96-100%Nessuna Ritenzione dell'allungamento a rottura (%) 95-100% 94-99% 93-98%Leggera (non significativa) tendenza
Aumento della durezza superficiale Shore D da +1 a +2 +1 a +2 +1 a +3 Nessuno
Assorbimento d'acqua (%) 0,05–0.08 0.05–0.09 0.05–0,10 Rilascio trascurabile di HF (mg/m²·giorno) 0,01–0.03 0.01–0.03 0.01–0,04 Nessuno
Conclusione: nessun effetto rilevabile dell'ossigeno disciolto sulla degradazione del PFA dell'acqua bollente.

Confronto con altri polimeri (solo come riferimento)
Stabilità idrolitica del polimero a 100 gradi Effetto del meccanismo di cedimento dell'ossigeno disciolto
PFA Ottimo Nessuno Lieve deterioramento
TeflonNessuno EccellentePFA Simile a PVDFBuono Leggera Deidrofluorurazione (Minima)
Etilene clorotrifluoroetilene (ECTFE) Buona leggera ossidazione alle estremità della catena
Nylon 6,6 (Poliammide) Forte Scarso Idrolisi più ossidazione=fallimento rapido
PET (tomografia a emissione di positroni)Debole Forte Scissione della catena
PEEK Buono a 100 gradi Ossidazione moderata degli anelli aromatici
Cosa significa per Heater Design
Per i riscaldatori PFA nei sistemi con acqua DI bollente, non è necessario:

Deaerare l'acqua (spurgo N2) per la protezione del PFA. Ciò aiuta a ridurre i costi delle apparecchiature.

Il DO basso viene mantenuto utilizzando tubi impermeabili all'ossigeno-o coperchi dei serbatoi.

Monitorare il DO per lo stato del riscaldatore.

I componenti metallici (serbatoio, tubazioni) potrebbero comunque richiedere la deaerazione per prevenire la corrosione. La protezione PFA non è una protezione metallica. Il PFA vive, ma il serbatoio in acciaio inossidabile potrebbe no.

Tuttavia, a temperature superiori a 120 gradi (acqua pressurizzata), la disgregazione del PFA procede più velocemente indipendentemente dall'ossigeno. L'idrolisi è importante a 150 gradi (0,1-0,5% di perdita di peso ogni 1.000 ore). Ma anche a 150 gradi. l'ossigeno non ha alcun effetto percepibile.

Campo di esempio
Una fabbrica di semiconduttori gestiva un circuito di ricircolo di acqua DI bollente (100 gradi, 18 MΩ. cm) con riscaldatori PFA. Per salvaguardare i serbatoi e le tubazioni in acciaio inossidabile, l'acqua è stata deareata<10 ppb DO. It cost a lot to maintain the deaerator. The fab was evaluated to run without deaeration (DO = 8 ppm) for 6 months. The PFA heaters' performance was unchanged. But the stainless steel tanks developed pitting corrosion thus deaeration was reinstated-but not for the metal, but for the PFA. The decision had nothing to do with the PFA heaters.

Conclusione: l'ossigeno disciolto non influisce sulla stabilità idrolitica del PFA
L'ossigeno disciolto (0-10 ppm) non influisce sulla stabilità idrolitica del PFA nell'acqua DI bollente a 100 gradi. La degradazione del PFA avviene per idrolisi dei gruppi terminali, non per ossidazione della struttura portante. La perdita di peso, la resistenza alla trazione e l'allungamento rimangono invariati dopo 10.000 ore, indipendentemente dal livello di DO. Per i sistemi di acqua calda gli ingegneri possono trascurare il DO mentre scelgono i riscaldatori PFA. Il PFA non necessita di deaerazione, anche se i serbatoi di metallo potrebbero comunque andar bene. "Il polimero è resistente, il metallo no. La gestione della temperatura è essenziale (mantenerla al di sotto di 120°C per una lunga durata) ed evitare impurità (cloruri, metalli di transizione) che possono catalizzare l'idrolisi. Il nemico del PFA non è l'ossigeno. E le impurità lo sono. Il calore. Mantieni l'acqua pura e al di sotto di 120°C e il PFA sopravviverà per decenni. Ossigeno o no. Testato. Verificato.