La comparación de polímeros hermanos
Tanto el PTFE como el FEP son polímeros totalmente fluorados. Comparten la misma química de enlaces carbono-flúor que proporciona una resistencia química casi-universal. FEP-etileno propileno fluorado- es esencialmente un copolímero de tetrafluoroetileno y hexafluoropropileno, donde el comonómero HFP introduce ramas laterales cortas de perfluorometilo que reducen la cristalinidad y permiten el procesamiento en fusión.
Debido a que ambos están perfluorados, su resistencia química a ácidos y álcalis individuales es comparable. Ambos están clasificados para servicio en todo el rango de pH. La diferencia entre ellos surge en el servicio cíclico-donde el intercambiador de calor alterna entre exposición ácida y alcalina-a través de sus diferentes respuestas a la permeación, el ciclo térmico y la tensión mecánica en el entorno químico alterno.
La diferencia entre permeación y ciclo químico
El FEP tiene una cristalinidad menor que el PTFE-normalmente 40-50 % frente a 50-70 %. Las regiones amorfas en un polímero semicristalino tienen un volumen libre mayor que las regiones cristalinas. La permeación de moléculas pequeñas se produce predominantemente a través de la fase amorfa.
Cuando el FEP se expone a una solución ácida, las moléculas de ácido penetran en las regiones amorfas. Cuando el mismo componente de FEP se expone a una solución alcalina, el ácido permeado reacciona con el álcali entrante dentro de la matriz polimérica. La reacción produce agua y sal. La molécula de agua, formada en el espacio confinado del volumen libre del polímero, se expande a medida que se vaporiza a la temperatura de funcionamiento. La expansión crea pulsos de presión microscópicos dentro del polímero.
A lo largo de muchos ciclos ácidos-alcalinos, estos eventos repetidos de micro-presión causan una forma de fatiga exclusiva del ciclo de permeación. Los micro-huecos crecen y se fusionan en las regiones amorfas. Las propiedades mecánicas del polímero-particularmente el alargamiento de rotura-disminuyen más rápido de lo que se podría predecir únicamente con el envejecimiento térmico.
El PTFE, con su mayor cristalinidad, tiene menos volumen libre amorfo para la permeación. Las moléculas ácidas y alcalinas penetran menos profundamente. El efecto de fatiga de permeación cíclica se reduce correspondientemente. Las propiedades mecánicas permanecen estables durante un período más largo bajo exposición cíclica.
Tabla 1: Comparación del rendimiento del ácido cíclico-alcalino (10 % HCl/10 % NaOH alternado, 80 grados, ciclos de 1 hora)
| Parámetro de rendimiento | FEP | PTFE |
|---|---|---|
| Cristalinidad (%) | 40-50 | 50-70 |
| Fracción amorfa (%) | 50-60 | 30-50 |
| Tasa de permeación ácida (relativa) | 1.5-2.0× | 1.0× |
| Efecto de fatiga de permeación cíclica. | Mensurable | Mínimo |
| Retención de la resistencia a la tracción después de 5.000 ciclos (%) | 70-85 | 90-95 |
| Retención de elongación después de 5.000 ciclos (%) | 55-75 | 85-95 |
| Formación de micro-huecos | Detectado en regiones amorfas. | Mínimo |
| Temperatura de servicio continuo (grados) | 204 | 260 |
| Fundir-procesabilidad | Sí (soldable) | No |
| Costo relativo del material | 1.2-1.5× | 1.0× |
La ventaja de soldabilidad del FEP
La única ventaja clara del FEP sobre el PTFE es la procesabilidad{0}}de fusión. El FEP puede extruirse,-moldearse por inyección y-esencial para la fabricación de intercambiadores de calor-soldarse a tope-. Las juntas soldadas de tubo de FEP-a-colector se pueden realizar sin accesorios mecánicos, sin sellos de compresión ni grietas. Esta es una ventaja importante en aplicaciones de pureza ultra-alta-donde los accesorios mecánicos suponen un riesgo de contaminación.
El PTFE no se puede soldar-por fusión mediante métodos convencionales. Las conexiones de tubos se basan en accesorios de compresión, juntas abocardadas o conexiones bridadas. Estas uniones mecánicas son confiables pero introducen grietas y requieren un nuevo torque periódico.
Para aplicaciones donde el número de ciclos ácidos-alcalinos es moderado y la eliminación de accesorios mecánicos es una prioridad mayor que la resistencia a la fatiga por permeación cíclica, se puede preferir el FEP a pesar de su menor cristalinidad.
La diferencia de temperatura del techo
La temperatura de servicio continuo del FEP de 204 grados es adecuada para la mayoría de los procesos químicos, pero no alcanza la clasificación de 260 grados del PTFE. En servicios alcalinos-de ácido cíclico-a alta temperatura-, como en el calentamiento de reactores químicos, donde las temperaturas pueden alcanzar los 200-220 grados, el PTFE proporciona un margen de seguridad más amplio.
A temperaturas superiores a 180 grados, la menor cristalinidad del FEP y su mayor fracción amorfa aceleran tanto la permeación como los efectos mecánicos de la exposición cíclica. La brecha de rendimiento entre FEP y PTFE se amplía a medida que aumenta la temperatura.
Resumen
El PTFE supera al FEP en servicios alcalinos-de ácido cíclico debido a su mayor cristalinidad, lo que reduce la permeación a la fase amorfa y minimiza la fatiga de la permeación cíclica que degrada progresivamente las propiedades mecánicas del FEP. El PTFE conserva entre el 90 y el 95 % de su resistencia a la tracción después de miles de ciclos químicos, en comparación con el 70-85 % del FEP.
La soldabilidad del FEP proporciona una ventaja en aplicaciones de pureza ultra-alta-donde los accesorios mecánicos no son deseables. Para servicios químicos cíclicos industriales dentro de los límites de temperatura de FEP, la elección equilibra la durabilidad cíclica superior del PTFE con la flexibilidad de fabricación de FEP.
El análisis de ingeniería para la selección de fluoropolímeros para servicios químicos cíclicos está disponible previa presentación de concentraciones ácidas y alcalinas, frecuencia y duración del ciclo, temperatura de funcionamiento, requisitos de pureza y datos actuales de vida útil del equipo.
