Perché un riscaldatore di grado PFA molto puro (a basso-ceneri) potrebbe mostrare una rottura dielettrica più precoce in ambienti ad alta-umidità?

Per le applicazioni essenziali che richiedono bassi livelli di estraibili e inquinanti ionici, vengono specificati gradi PFA molto puri (basso-cenere, semiconduttore-grado). Questi gradi hanno contenuto di ceneri<0.01% (versus 0.1-0.5% for normal PFA). Paradoxically, very pure PFA heaters can show sooner dielectric breakdown than conventional PFA heaters in high humidity conditions (≥80% RH). That's because conventional PFA contains trace metal oxides (calcium oxide, magnesium oxide, aluminium oxide) that are water-absorbing fillers or stabilisers. These oxides react with moisture to generate hydroxides which devour water molecules and maintain high electrical resistance. These moisture scavenging organisms are absent in very pure PFA. The absorbed water molecules stay free in the polymer matrix, enhancing the ionic conductivity and reducing the dielectric strength. In high humidity environments, the electrical dependability of normal PFA can be better than ultra-pure PFA.

Meccanismo di assorbimento dell'umidità e rottura dielettrica
Il PFA assorbe lo 0,03-0,10% di acqua in peso al 100% di umidità relativa a seconda della temperatura e della cristallinità. Le molecole d'acqua assorbite sono mobili e possono condurre corrente ionica in un campo elettrico. Se l'intensità del campo elettrico è superiore a quella che il materiale può sopportare, solitamente 15–25 kV/mm per PFA secco, si verificherà una rottura dielettrica. L'umidità assorbita riduce la resistenza alla rottura a 10-15 kV/mm all'80% di umidità relativa e 5-10 kV/mm al 100% di umidità relativa.

Standard PFA usually comprises 0.1 to 0.5 percent inorganic fillers, often calcium oxide, magnesium oxide, or aluminium silicate, which are used as acid acceptors to stabilise the polymer during processing. These oxides are hygroscopic : CaO + H2O -->Ca(OH)2 Questa reazione utilizza acqua libera e la combina chimicamente. L’acqua legata è sostanzialmente meno mobile e conduttiva dell’acqua libera. Le particelle di riempimento fungono anche da punti di diffusione per gli elettroni, aumentando la lunghezza del percorso di rottura. Il PFA molto puro non contiene tali riempitivi (cenere<0.01%). The water that is absorbed is left as free water and creates conduction paths. Less filler content also means less physical impediments to electron avalanche.

PFA standard vs Utra-Rigidità dielettrica PFA pura
Grado PFA Contenuto di ceneri (%) Assorbimento d'acqua a 60 gradi, 80% RH (%) Rigidità dielettrica (kV/mm) a 80% RH Tempo di caduta della resistenza di isolamento (<100 MΩ) at 85°C, 85% RHTypical Application Standard (industrial) 0.15 – 0.30 0.05 – 0.07 12 – 15 8,000 – 12,000 hours Industrial general, high humidity
Elevata-purezza 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 oreAlimentari, prodotti farmaceutici
Ultra-puro (basso-cenere) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2.000–4.000 ore Semiconduttori, laboratori critici
Ultra-puro con riempitivo essiccante (speciale) 0,01–0,02 (riempitivo aggiunto) 0,04–0.06 11–14 6.000–10.000 oreUmidità elevata + elevata purezza
Standard con assorbitore di umidità 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10.000–15.000 oreAmbiente tropicale e all'aperto
Prove sul campo dalla produzione di semiconduttori
La fabbrica di semiconduttori ha installato riscaldatori PFA ultra-puri (cenere<0.01%) in a wet bench with 85% RH, 85°C process temperature. Heaters lasted an average of 2,500 hours before the insulation resistance dropped below 100 MΩ and triggered ground fault alarms. For the same application the fab converted to normal PFA heaters (ash 0.2%) with an expectation of reduced life due to greater extractables. All the conventional heaters surprisingly survived 9000 hours. Analysis indicated that conventional heaters had magnesium oxide filler that absorbed moisture and so maintained high resistance. Ultra-pure heaters had no filler and free water built up at the interface to the PFA-metal resulting in leakage. The fab now uses normal PFA for high humidity procedures and reserves ultra-pure PFA for dry processes (<30% RH) when extractables are the main focus.

Mitigazione del PFA ultra-puro nel servizio umido
Per situazioni di umidità elevata (ad esempio banchi umidi di semiconduttori con umidità prodotta dal processo) dove sono necessari riscaldatori PFA ultra-puri, tre mitigazioni migliorano l'affidabilità dielettrica:

Spurgo dell'azoto: applicare un flusso costante di azoto secco al lato freddo del riscaldatore. La pressione positiva impedisce all'aria umida di toccare l'interfaccia metallica del PFA-. Lo spurgo dell'azoto aumenta la durata della resistenza di isolamento di 5-10 volte.

Densità di watt inferiore: riduci lo stress del campo elettrico funzionando a una tensione inferiore (208 V rispetto a. 480V) e/o utilizzando un riscaldatore più grande (W/cm² inferiore). La minore intensità di campo riduce la potenza di pilotaggio della corrente di dispersione.

Raccoglitore di umidità: installare un pacchetto di setacci molecolari (zeolite o gel di silice) nella regione fredda. Il getter assorbe tutta l'umidità che fuoriesce attraverso il PFA. Cambiare il getter ogni 6-12 mesi.

Per le applicazioni che richiedono elevata purezza e umidità (ad esempio, reattori umidi farmaceutici), utilizzare PFA ultra-puro con riempitivo aggiuntivo stabilizzante l'umidità-. Vari produttori producono PFA ultra-puro con "grado di umidità elevato" con lo 0,01-0,02% di ossido di calcio o idrotalcite sintetica. Questi gradi hanno una rigidità dielettrica di 12-14 kV/mm all'85% di umidità relativa, simile al normale PFA, pur mantenendo bassi livelli di estraibili.

Conclusione: il PFA standard è superiore a Ultra-Pure in condizioni di umidità elevata
Molto puro (basso contenuto di ceneri) Laddove al riempitivo non vengono aggiunti assorbitori di umidità, i riscaldatori PFA tendono a rompersi prima del normale PFA in ambienti ad alta umidità (maggiore o uguale all'80% di umidità relativa). La conduttività ionica viene aumentata dall'acqua libera nella matrice polimerica e la rigidità dielettrica diminuisce da 12–15 kV/mm a 8–10 kV/mm. Il PFA standard con lo 0,1–0,5% di ceneri sopravviverà 2–4 volte più a lungo del PFA ultra-puro in servizio umido. Gli ingegneri non dovrebbero dare per scontato che "più puro è meglio" in tutte le situazioni. Per le applicazioni a secco, il PFA ultra-puro offre il massimo grado di pulizia. Nelle applicazioni umide, è preferibile il PFA normale o il riempitivo ultra-puro con-stabilizzante dell'umidità. Se per l'applicazione sono desiderabili sia un basso contenuto di estraibili che un'elevata umidità, fornire uno spurgo con azoto o assorbitori di umidità. La rottura dielettrica-indotta dall'umidità è una limitazione del progetto, non del materiale. Scegliere il grado PFA in base all'ambiente circostante, non a un ideale teorico di purezza. Un po' di cenere è una bella cosa quando c'è umidità.