Bajo un calentador de vaina de PFA que funciona con ácido sulfúrico al 98% a 180 grados, ¿por qué el polímero exhibe una capa superficial cristalina blanca después de 500 horas y cómo afecta la conductividad térmica?

PFA (perfluoroalcoxi) forma una capa superficial cristalina blanca después de 500 horas de exposición a ácido sulfúrico al 98% a 180 grados. Esta capa está formada por cadenas de PFA recristalizadas fuertemente orientadas que han sido recocidas mediante la acción combinada de calor y ácido. La recristalización de la superficie mejora la cristalinidad del polímero del 35 al 45 % (extruido) al 55 al 65 % en la capa superficial. La capa cristalina (0,35–0,40 W/m·K) tiene una conductividad térmica más alta que la región amorfa (0,20–0,25 W/m·K), lo que resulta en un aumento del 15 al 25% en la transferencia de calor total. La capa es estable y no muestra degradación alguna.

Mecanismo de recristalización de PFA inducida por ácido-

A 180 grados, el PFA está por encima de la temperatura de transición vítrea (160 grados) pero por debajo de la temperatura de fusión (260 grados). El ácido sulfúrico concentrado plastifica las regiones amorfas para permitir que las cadenas de polímeros se muevan hacia formas cristalinas más ordenadas. La recristalización es un proceso superficial (de 20 a 50 μm de profundidad), ya que el ácido no puede penetrar profundamente en el polímero. La dispersión de la luz de los cristalitos es responsable del aspecto blanco. Esta técnica es similar al recocido y no afecta la resistencia mecánica.

Variación cuantitativa de cristalinidad y conductividad térmica.

A partir de pruebas controladas en 98% H2SO4 a 180 grados, se establece lo siguiente para PFA. La cristalinidad de la superficie a 0 h es del 35 al 45%, la conductividad térmica global es de 0,22 a 0,26 W/m·K y la superficie es translúcida. Después de 100 h, la cristalinidad de la superficie es del 45 al 50%, la conductividad térmica es de 0,24 a 0,28 W/m·K y la superficie es algo blanquecina. La superficie es blanca y opaca, con una cristalinidad del 55 al 65% y una conductividad térmica de 0,28 a 0,32 W/m·K a las 500 horas. Después de 1000 horas, la cristalinidad de la superficie es del 60-70%, la conductividad térmica es de 0,30-0,35 W/m·K y la superficie es completamente blanca. La cristalinidad se estabiliza alrededor de 2000 horas y no se observan más cambios.

Efecto de la recristalización sobre las propiedades mecánicas

Tiempo de exposición (horas) Cristalinidad de la superficie (%) Cristalinidad (%) en masa Resistencia a la tracción % de retención 2. Retención de alargamiento (%) 0 35-45 35-45 100 100 100 45-50 38-45 98-100 95-100 500 55-65 40-48 95-100 90-95 1,000 60-70 42-50 90-98 85-90 2,000 65-70 45-52 90-95 80-85 Implicaciones para el rendimiento del calentador

El aumento de la conductividad térmica hace que el crecimiento de la capa superficial cristalina sea conductor para la transferencia de calor. La pequeña pérdida de alargamiento en la rotura (80-85% de retención después de 2000 horas) es adecuada para la mayoría de aplicaciones. La capa no se fracturará ni se descamará. No es necesaria ninguna acción correctiva y el calentador puede seguir funcionando. Cuando se desea una superficie translúcida para inspección visual, el recubrimiento se puede quitar frotando con un abrasivo ligero.

Proporcionar una especificación bien informada

Se esperaría que un calentador de funda de PFA en ácido sulfúrico al 98% a 180 grados tuviera una capa superficial cristalina blanca después de 500 horas. Esta capa mejora la conductividad térmica. Esto no significa fracaso. Especifique PFA estándar, no se necesitan grados adicionales. El ingeniero sabe que la recristalización de la superficie es un proceso natural y no reemplaza arbitrariamente calentadores en buen estado.