Qual è il futuro dei riscaldatori in PTFE riciclabili con nucleo metallico separabile e guaina polimerica?

Un riscaldatore a immersione in PTFE esaurito è un insieme di materiali misti-nucleo metallico legato in una guaina in fluoro-polimero. È notoriamente difficile da riciclare. Ora, i produttori progressisti stanno progettando la prossima generazione per smontarla ordinatamente, come una baionetta, in modo che il metallo e la plastica possano essere riciclati, non sepolti. Lo smaltimento in discarica e l’incenerimento dei riscaldatori in PTFE usati verranno gradualmente eliminati man mano che le restrizioni ambientali a livello mondiale si inaspriscono e le aziende adottano idee di economia circolare. Il design del riscaldatore in PTFE riciclabile con design del nucleo modulare segna una transizione significativa nella concezione delle apparecchiature di riscaldamento industriale, dagli assemblaggi usa e getta ai sistemi di risorse recuperabili.

Il problema di oggi: una sfida-materiale mista
Il PTFE (politetrafluoroetilene) è molto apprezzato per la sua grande resistenza chimica e stabilità termica. Ma proprio queste qualità rendono quasi impossibile il riciclo. Un tradizionale riscaldatore in PTFE è realizzato inglobando permanentemente un elemento riscaldante a resistenza metallica in una guaina di PTFE utilizzando una tecnica di sinterizzazione. L'anima metallica e il fluoropolimero si collegano inoltre intimamente per formare una struttura composita che resiste alla separazione.

Gli attuali approcci di terapia di fine-of-vita presentano notevoli svantaggi. Lo smaltimento in discarica fa sì che il durevole fluoropolimero persista nell'ambiente e possa potenzialmente scomporsi in microplastiche che contaminano il suolo e le fonti d'acqua-5. Il PTFE e altri fluoropolimeri possono essere completamente decomposti se bruciati a 850 gradi o più, ma ciò consuma molta energia e comporta il rischio di rilasciare sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) - "sostanze chimiche eterne" persistenti che possono rimanere nell'ambiente per decenni3-.

Nel riciclaggio meccanico l'intero riscaldatore viene triturato in particelle di materiale misto, con conseguente rendimento di basso-valore. La contaminazione del metallo riduce la qualità della frazione di PTFE e la contaminazione del PTFE riduce il valore di recupero del nucleo metallico. Un tasso di riciclo globale di appena il 3,4% per i fluoropolimeri evidenzia l’entità di questa sfida.5 La progettazione per il disassemblaggio, un principio importante dell’economia circolare, aiuta anche a garantire che i materiali incompatibili non vengano combinati in primo luogo e non richieda complicati processi di separazione.

Nuova svolta nel riciclaggio chimico
Una nuova ricerca dell'Università di Newcastle e dell'Università di Birmingham ha dimostrato una tecnica pulita e a basso-energia per scomporre il PTFE, che utilizza forza meccanica e sodio metallico a temperatura ambiente, senza la necessità di incenerimento ad alta-temperatura o solventi tossici-1. La tecnica macina i rifiuti di PTFE con sodio metallico in un mulino a sfere, rompendo i forti legami del carbonio-fluoro per formare fluoruro di sodio-un sale stabile e benigno utilizzato nel dentifricio-e carbonio-4. Si tratta di un grande passo avanti per il riciclaggio chimico, ma la soluzione con nucleo separabile risolve il problema a monte in modo che non si formino nemmeno rifiuti composti da materiali misti.

Il concetto di design del nucleo separabile
Il concetto di nucleo separabile prevede che il riscaldatore sia un gruppo staccabile in due-pezzi che funziona insieme, anziché incorporare in modo permanente il nucleo metallico nella guaina in PTFE durante il processo di produzione.

Progettazione meccanica
L'idea si basa sui principi degli elementi riscaldanti a baionetta-e sui riscaldatori a cartuccia. La guaina in PTFE è prodotta come tubo cavo o forma sagomata: un guscio rigido in fluoropolimero con dimensioni interne precise. L'elemento riscaldante metallico, realizzato come unità a cartuccia separata, è costituito da un filo di resistenza in un mezzo termicamente conduttivo ed è racchiuso in un guscio metallico. La cartuccia scorre nella guaina cava in PTFE, stabilendo un contatto elettrico all'estremità terminale, ed è trattenuta sulla flangia da una guarnizione staccabile o da un tappo filettato.

Tuttavia, ci sono diverse sfide con questo concetto di design. Un'efficienza di trasferimento del calore sufficiente richiede che l'elemento metallico sia fissato molto saldamente alla parete interna della guaina in PTFE. È inoltre possibile posizionare un sottile rivestimento di pasta termicamente conduttiva sull'interfaccia per rimuovere gli spazi d'aria (il compito principale della pasta termica è eliminare gli spazi d'aria attraverso la regione dell'interfaccia per massimizzare il trasferimento e la dissipazione del calore). La pasta deve essere stabile alla temperatura operativa del riscaldatore (solitamente 80-100 gradi) senza degradare o rilasciare sostanze inquinanti nel bagno.

L'altro problema tecnico è la guarnizione del terminale. La guarnizione dovrà essere sufficientemente resistente da impedire qualsiasi infiltrazione di vapori corrosivi del bagno nell'intercapedine dell'interfaccia durante il funzionamento e allo stesso tempo completamente smontabile al termine-della-vita utile. Possibili alternative sono raccordi a compressione con guarnizioni in PTFE, tappi filettati con guarnizioni O-ring o morsetti a sgancio rapido-con elementi di tenuta imperdibili.

Smontaggio a fine vita
Quando la vita utile del riscaldatore termina, il processo viene invertito. Il sigillo rimovibile viene aperto, l'anima metallica viene estratta dalla guaina in PTFE e i due materiali sono pronti per il riciclaggio separato. Il nucleo metallico, comunemente costituito da filo resistente al nichel-cromo, conduttori in rame e materiali di guaina in acciaio o Incoloy, può essere lavorato attraverso i tradizionali processi di riciclaggio dei metalli senza il rischio di contaminazione da PTFE. La guaina è ora un componente monomateriale del PTFE senza metallo integrato e può essere indirizzata a processi specializzati di riciclaggio di fluoropolimeri, comprese le tecnologie meccanochimiche in via di sviluppo oggetto di ricerca.

Driver: economici e ambientali
Recupero del valore materiale
Il design staccabile rilascia molto valore materiale che oggi è perso. Il nucleo metallico è riempito con leghe preziose: filo di resistenza al nichel-cromo (NiCr) e rame per i collegamenti elettrici, e spesso acciaio inossidabile o Incoloy per il guscio della cartuccia. Questi metalli recuperati come materiale pulito a flusso singolo-hanno un valore di scarto molto maggiore rispetto alla macinazione di materiali-misti. Per i grandi clienti industriali con decine o centinaia di riscaldatori in PTFE, il valore totale recuperato può aiutare a compensare parte delle spese di sostituzione.

Anche il PTFE stesso ha un ulteriore valore quando recuperato incontaminato. I rifiuti puliti e separati di PTFE possono essere utilizzati per produrre micropolveri di PTFE da utilizzare come additivi in ​​lubrificanti, inchiostri e tecnopolimeri. In alternativa, può essere depolimerizzato nuovamente in monomeri come tetrafluoroetilene (TFE) per la ripolimerizzazione in PTFE-3 fresco.

Pressione aziendale e normativa sulla sostenibilità
In diversi paesi, i regimi di responsabilità estesa del produttore (EPR) rendono i produttori responsabili della gestione della fine--del ciclo di vita dei loro prodotti-33. Riparabilità, durabilità e riciclabilità-33 sono stati evidenziati nei quadri di politica dei prodotti del Piano d'azione per l'economia circolare dell'Unione europea. Poiché questi standard si diffondono dall’elettronica di consumo alle apparecchiature industriali, i produttori di riscaldatori che offrono design separabili e riciclabili saranno in una posizione migliore per conformarsi.

Gli utenti finali-industriali, in particolare le aziende automobilistiche, elettroniche e di semiconduttori, stabiliscono obiettivi sempre più ambiziosi per la diversione dei rifiuti e la circolarità. Lo smontaggio delle apparecchiature a fine vita-- sta diventando una necessità nel settore degli approvvigionamenti. Questi obiettivi sono direttamente supportati da un riscaldatore in PTFE con nucleo separabile-, con i clienti che segnalano il recupero di materiale pulito anziché lo smaltimento di rifiuti misti.

Considerazioni su costi/benefici
Il design staccabile aumenta i costi di produzione. L'estrusione di profili solidi del riscaldatore è più semplice ed economica da fabbricare rispetto alle guaine cave in PTFE che devono mantenere dimensioni interne uniformi. Sono necessari ulteriori lavorazioni meccaniche e controlli di qualità per le guarnizioni rimovibili e le connessioni filettate. l'applicazione di una pasta termicamente conduttiva durante l'assemblaggio aggiunge una spesa in materiale di consumo. I costi di produzione aumentano a causa delle tolleranze di precisione più elevate nel processo di produzione.

Tuttavia, numerosi fattori contrastano questi costi aggiuntivi:

Ciò può significare che le tariffe per la responsabilità estesa del produttore per i prodotti in materiali misti sono maggiori rispetto a quelle per i progetti che sono dimostrabilmente riciclabili.

Il valore del metallo recuperato dal nucleo staccabile può essere accreditato all'utente finale-o rimborsato al produttore.

Una tariffa inferiore per gli articoli a flusso singolo-rispetto a quella per i rifiuti pericolosi misti.

Credenziali di sostenibilità migliorate richiedono un prezzo premium e la preferenza del cliente nei mercati sensibili all’ambiente.

In realtà, per i grandi utilizzatori il costo complessivo di proprietà può essere inferiore se si tengono conto dei costi di smaltimento e dei crediti per il materiale recuperato.

Lo stato attuale e la via da seguire
Fase del prototipo
I riscaldatori in PTFE con nucleo separabile-sono ancora in gran parte in fase di prototipo e di progettazione-personalizzata. Diversi produttori di riscaldatori specializzati hanno dimostrato la-of-progettazione concettuale per applicazioni di laboratorio e su scala pilota, ma la tecnologia non è ancora ampiamente disponibile in commercio per il normale riscaldamento di serbatoi industriali.

La sfida tecnica principale è mantenere l’efficienza del contatto termico attraverso migliaia di cicli di temperatura senza degradazione dell’interfaccia o della pasta conduttiva. La guaina si espanderà e si comprimerà in modo apprezzabile con i cambiamenti di temperatura poiché il PTFE ha un elevato coefficiente di espansione termica (da circa 120 a 200 × 10-6/grado). Il nucleo metallico si espande a un ritmo distinto (acciaio ~11-13x10-6/gradi C). Mantenere una buona interfaccia termica durante questo movimento differenziale, senza sfregamento, sviluppo di spazi o migrazione della pasta, è un problema ingegneristico attivo.

Integrazione con le nuove tecnologie di riciclo
Il design del nucleo separabile non è un concorrente delle tecnologie di riciclaggio chimico, ma piuttosto un complemento ad esse. La progettazione-per-il disassemblaggio consente la separazione meccanica per fornire materie prime singole-pulite che possono essere successivamente trattate attraverso il percorso di riciclaggio più appropriato. L'anima metallica viaggia verso le tradizionali fonderie di metalli. La guaina in PTFE può essere incanalata verso il riciclaggio meccanochimico o altri processi emergenti di depolimerizzazione a bassa-energia, come il metodo di macinazione a-sfere di sodio-a temperatura ambiente-sviluppato dall'Università di Newcastle e dall'Università di Birmingham, che fornisce un modello per un'economia circolare per il fluoro1-4.

Il punto della questione
Il design del riscaldatore in PTFE riciclabile rappresenta un vero passo avanti verso un'economia circolare per il riscaldamento industriale, grazie alla riciclabilità del nucleo metallico dalla guaina polimerica. Questi progetti facilitano lo smontaggio pulito a fine vita-of-, convertendo un problema di smaltimento-una miscela di materiali difficili e costosi da separare-in un'opportunità di risorse in cui i metalli vengono restituiti alle fonderie e le guaine in fluoropolimero vengono inviate a flussi di riciclaggio dedicati. I problemi tecnici legati al mantenimento dell'efficienza termica e dell'integrità delle tenute durante il servizio sono grandi, ma non insuperabili. La domanda del mercato per apparecchiature di riscaldamento chiaramente riciclabili non potrà che espandersi con la pressione normativa e gli impegni ambientali delle aziende. La consapevolezza ambientale sta diventando una parte sempre più importante dell'innovazione tecnica e il riscaldatore in PTFE con nucleo separabile- è un esempio di come le apparecchiature industriali possano essere progettate non solo per le prestazioni, ma per una seconda vita.