Какъв е потенциалът от използването на полимерни-керамични покрития върху PTFE нагреватели за изключителна устойчивост на абразия?

Чистият PTFE е химически непроницаема, но механично мека кожа, която може да бъде изстъргана с нокът или бавно износена от течаща каша. За потопяемите нагреватели мекотата отдавна е отличителното ограничение на PTFE в тежки индустриални приложения. Една нова област в материалознанието се опитва да се справи с този проблем. Той нанася течен прекерамичен полимер върху PTFE повърхността и я превръща в твърд, тънък, гъвкав керамичен слой. Това дава хибридна защитна обвивка, която съчетава известната химическа устойчивост на PTFE с механичната издръжливост на керамичен щит.

По принцип технологията е като тефлонов тиган с ултра{0}}твърдо прозрачно бронирано покритие. Покритието е с дебелина само няколко молекули, но въпреки това значително променя реакцията на повърхността към драскотини, частици и механично износване.

Развиващото се поле около използването на устойчивост на абразия на PTFE нагревател, получено от полимерно керамично покритие, сега се превръща в тема от интерес в областта на химическата обработка, минното дело и инженерството на модерни термични системи.

Защо PTFE нагревателите не издържат в абразивни среди
PTFE създаде индустриалната си репутация с отличната си устойчивост на агресивни химикали, силна диелектрична якост и добра съвместимост с корозивни течности. Повърхностната твърдост и устойчивостта на абразия на материала обаче са доста ниски.

В различни индустриални операции потопяемите нагреватели работят в настройки, съдържащи:

частиците на катализатора се разбъркват

Суспензии, кристални

Суспензии от минерали

Абразивни отлагания

Високоскоростен флуиден поток

Суспензии от керамичен прах

При тези условия PTFE обвивката може да се износи бавно от чест механичен контакт.

Химическата бариера все още е много добра, но самата повърхност може прогресивно да бъде остъргвана, надупчена или отслабена. Електрическата изолация и устойчивостта на корозия могат да бъдат намалени, ако защитната обвивка бъде пробита от абразия.

Тази трудност предизвика интерес към нови повърхностни технологии, които биха могли да укрепят PTFE, без да променят основната му химическа природа.

Полимерни{0}}керамични покрития: кратък преглед
Полимер{0}}изведената керамика (PDC) е известна фамилия от усъвършенствани материали, разработени от трансформацията на внимателно създадени полимери в керамични структури чрез контролирана топлинна обработка.

Обикновено тези материали се обработват при много високи температури, често над 800 градуса. Такива температури превръщат базираните на силиций прекурсорни полимери в твърди керамични фази като:

Силициев оксикарбид (

Въглерод - Силициев нитрид

съединения на основата на силициев карбид

Аморфни керамични стъклени мрежи

Тези керамични конструкции са изключително здрави, термично стабилни и химически устойчиви.

Състояние-на--научноизследователското предизвикателство е да се адаптира тази технология към температурно-чувствителни PTFE субстрати, които не могат да издържат стандартните температури за обработка на керамика.

Как може да работи процесът на нанасяне на покритие върху PTFE нагреватели
Процесът започва с много тънко покритие от предкерамична полимерна смола, нанесено върху крайната обвивка на нагревателя от PTFE.

Това покритие трябва да бъде:

Стандартен

Безупречно

Адаптивна

Химически неактивен

Много тънък

След това обвивката с покритие се подлага на контролирана термична обработка при температури, точно контролирани в рамките на границите на стабилност на PTFE след нанасяне.

Предизвикателства при ниско{0}}температурната пиролиза
PTFE веднага ще се повреди при обичайните температури на обработка на PDC. Проблемът, произтичащ от това, е да се разработят модифицирани пре-керамични химикали, които могат да претърпят частично керамично преобразуване при температури, близки до или под термичните ограничения на флуорополимерите.

Изследователите изследват:

Системи за омрежване при ниски температури

UV втвърдяване

Преобразуване с помощта на плазма

Хибридни химикали: Сол-гел

Нанокомпозитни керамични прекурсори

Идеята е да се разработи повърхност,-подобна на керамика, без да се налага да подлагате PTFE основата на вредна топлина.

Това все още е много експериментално, но теоретичният потенциал е голям.

Идеята за керамичен щит
Идеята е уловена доста добре от магическа боя, която се превръща в гъвкав стъклен-твърд щит.

След преобразуването покритието създава ултра{0}}тънък керамичен повърхностен слой с дебелина само няколко микрона. Въпреки ниската си дебелина, материалът може да осигури забележителни предимства в:

устойчив на надраскване

Твърдост на повърхността

устойчивост-на абразия

Устойчивост на ерозия на частици

Издръжливост на повърхността при разбъркване

Важно е, че PTFE отдолу продължава да изпълнява първоначалната си функция:

Химическа бариерна защита

електрически изолации

Настаняване на гъвкавост

Поемане на термично разширение

Керамичният слой поема механичното натоварване, а PTFE субстратът осигурява химическа изолация.

Възможни приложения в среди за екстремна топлинна обработка
Ако бъде успешно пусната на пазара, тази технология може значително да разшири работните среди на PTFE нагревателите.

Минни шлам - Абразив
Конвенционалните флуорополимерни повърхности могат бързо да бъдат ерозирани от суспендирани материали, открити в резервоарите за обработка на минерали.

Суспензионни реактори с катализатор
Химическите реактори с твърди частици на катализатора обикновено са подложени на непрекъснати удари и турбуленция на повърхността на потопяемите нагреватели.

Системи за кристализация
Тъй като кристалите стават по-големи, условията на потока в близост до нагревателните елементи могат да бъдат много абразивни.

Контейнери за химикали (с разбъркване)
Високо{0}}скоростните системи за смесване могат да причинят локализирана турбуленция и сблъсъци на частици, които могат да влошат типичните PTFE покрития с течение на времето.

Успешно решение за износване на PTFE нагревател с керамично покритие, получено от полимер, може да позволи на PTFE потопяемите нагреватели да продължат да съществуват в ситуации, които преди това са били неподходящи за системи, базирани на флуорополимер.

Критичното значение на целостта на покритието
Керамичното покритие не трябва да е просто твърдо. Също така трябва да бъде напълно непрекъснат и безупречен.

Важно е да поддържате повърхност без дупки:{0}}

Цялост на електрическата изолация

Устойчивост на химическо проникване

Изолация от корозия

Диелектрични свойства, дългосрочни-

Дори малки дефекти на покритието могат да оставят локализирани PTFE зони подложени на концентрирано износване или да причинят проблеми с електрическата надеждност.

Едно от най-техническите предизвикателства е да се поддържа последователност: завои, заварени преходи и извити повърхности на обвивката.

Термичен цикъл и проблеми с гъвкавостта
Керамиката традиционно е била крехък материал. PTFE е много гъвкав и има голямо термично разширение.

Това несъответствие е предизвикателен проблем за инженерството на материалите.

По време на работа потопяемите нагреватели са подложени често на:

Загряващи-ръндове при стартиране

Охлаждане-свиване

Турбуленция на течности

Динамична вибрация

Диференциални напрежения при разширение

Ако керамичният слой не може да се огъне с PTFE субстрата, може да се образуват пукнатини.

След като се създадат микропукнатини, устойчивостта на абразия и ефективността на химическата бариера могат бързо да се влошат.

Ето защо изследователите търсят аморфни керамични структури и хибридни керамични-полимерни интерфейси, които могат да поддържат известна еластичност.

Балансът между твърдост и гъвкавост
Една от най-вълнуващите характеристики на керамичната-технология, получена от полимер, е възможността за проектиране на материали между твърда керамика и гъвкави полимери.

Вместо да действат като крехко стъкло, някои съвременни PDC материали показват:

Гъвкавост в нано мащаб

По-ниско разпространение на пукнатини.

Подобрено настаняване на напрежение

Подобрена адхезия към полимерни основи

Този междинен отговор може в крайна сметка да определи дали техниката става търговски жизнеспособна за приложения за нагряване с потапяне.

Съображения за производство и мащаб
Дори ако техническите изисквания за изпълнение са изпълнени, масовото производство представлява ново предизвикателство.

За търговско приложение ще е необходимо:

Контрол на дебелината на покритието, повторяем

Надежден процес на залепване

Променливост на преобразуването при ниска температура

Методи за втвърдяване в индустриален мащаб

Проверка на качеството за дълги разстояния

Всеки икономически ефективен подход трябва да е съвместим със съществуващите процеси за производство на PTFE нагреватели и да не добавя значително към сложността или цената на производството.

Изводи
Един от най-вълнуващите предстоящи постижения в технологията на флуорополимерните потопяеми нагреватели е създаването на керамични покрития, получени от полимери. Тези покрития биха могли значително да подобрят устойчивостта на абразия и надраскване, като произведат ултра{1}}тънък слой, подобен на керамика- върху повърхността на PTFE, като същевременно запазват ненадминатата химическа инертност на основния материал и електрическите изолационни способности.

Основният проблем в новото поле на полимерно извлечено керамично покритие PTFE нагревател за защита от абразия е да се промени химията на керамиката, която обикновено е висока температура, за да отговаря на леките термични ограничения на PTFE субстратите. Производството на гъвкав керамичен слой без дупки-и устойчив на напукване- все още е гореща тема в напредналите изследвания на материалите.

Ако са ефективни, получените от полимер{0}}керамични покрития биха могли да осигурят дълго{1}}търсеното средство за най-голямата механична слабост на PTFE, без да застрашават най-важните му химически предимства. Най-мекият инертен полимер и най-твърдата керамика в крайна сметка могат да бъдат неочакваната комбинация, която дава най-здравите защитни кожи на бъдещите топлинни системи.