Un atelier de finition métallique a remplacé un thermoplongeur en PTFE défectueux par une unité à quartz de puissance et de dimensions similaires. Le radiateur à quartz était moins cher et offrait un meilleur transfert de chaleur. Cela a duré onze jours dans un bain de nettoyage alcalin chaud à 75 degrés avant que le tube ne soit gravé et que l'élément ne court-circuite. La panne n'était pas un défaut de fabrication. Le quartz et la chimie alcaline sont fondamentalement incompatibles.
Le quartz-silice fondue-est un excellent matériau pour le service acide. Il résiste à la plupart des acides minéraux, offre une bonne résistance aux chocs thermiques et transmet efficacement l'énergie infrarouge. Ces propriétés en font un choix courant pour les bains acides, en particulier dans les applications de semi-conducteurs et de laboratoire. Mais le quartz est de la silice et la silice se dissout dans les solutions alcalines. Le taux de dissolution augmente avec la température, le pH et le temps. Dans un bain de nettoyage alcalin chaud, le quartz est consommé.
La chimie de la dissolution du quartz
Le quartz est du dioxyde de silicium (SiO₂). En présence d'ions hydroxyde (OH⁻), la silice se dissout pour former du silicate soluble :
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
La réaction est lente à température ambiante et à pH neutre. À 75 degrés et à pH 12 ou plus, cela se déroule régulièrement. Un tube de quartz avec une paroi de 2 mm peut perdre 0,1 à 0,3 mm par mois dans un bain alcalin chaud. L’amincissement est d’abord uniforme, puis s’accélère à mesure que la paroi s’affaiblit. La défaillance survient lorsque le tube ne peut plus résister aux contraintes thermiques et mécaniques de l'application.
Les thermoplongeurs en PTFE ne réagissent pas avec les ions hydroxyde. Le polymère est inerte vis-à-vis de l'hydroxyde de sodium, de l'hydroxyde de potassium et d'autres espèces alcalines à toutes les concentrations et températures industrielles. Un radiateur en PTFE dans le même bain alcalin durerait des années et non des jours.
| Chimie du bain | pH | Température | Taux de corrosion du quartz | Adéquation du PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Soude caustique, 5% | 13–14 | 60 degrés | 0,1 à 0,2 mm/mois | Excellent |
| Soude caustique, 5% | 13–14 | 80 degrés | 0,2 à 0,4 mm/mois | Excellent |
| Nettoyant alcalin, pH 11 | 11 | 70 degrés | 0,02 à 0,05 mm/mois | Excellent |
| Hydroxyde d'ammonium, 5% | 10–11 | 50 degrés | 0,01 à 0,03 mm/mois | Excellent |
| Silicate de sodium, 3% | 11–12 | 75 degrés | 0,05 à 0,15 mm/mois | Excellent |
Taux de corrosion du quartz dans les bains alcalins par rapport à l'aptitude au PTFE
Pourquoi le quartz est utilisé dans le service acide
Le quartz fonctionne bien dans les acides car la silice est stable dans les environnements à faible -pH. Les acides chlorhydrique, sulfurique, nitrique et phosphorique n’attaquent pas le quartz aux températures typiques des thermoplongeurs. L'acide fluorhydrique est l'exception - : il dissout rapidement la silice, c'est pourquoi les radiateurs à quartz ne sont pas utilisés en service HF.
Les propriétés thermiques du quartz sont également favorables au service acide. Sa conductivité thermique est d'environ 1,4 W/m·K-supérieure à celle du PTFE mais inférieure à celle des métaux. Son coefficient de dilatation thermique est très faible, ce qui lui confère une bonne résistance aux chocs thermiques. Ces propriétés permettent aux radiateurs à quartz de fonctionner à des densités de watts plus élevées que le PTFE dans les produits chimiques compatibles.
| Matériel | Conductivité thermique | Densité de puissance sûre dans l'acide | Densité de Watt sûre en alcaline | Coût relatif |
|---|---|---|---|---|
| Quartz | 1.4 W/m·K | 1,5 à 2,5 W/cm² | Ne convient pas | Faible à modéré |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2 à 1,5 W/cm² | 1,2 à 1,5 W/cm² | Modéré |
| Titane | 22 W/m·K | 2 à 4 W/cm² | 2 à 3 W/cm² | Plus haut |
| Acier inoxydable 316 | 16 W/m·K | 1 à 3 W/cm² | 2 à 4 W/cm² | Faible |
Limites de densité de watts et comparaison des coûts pour les matériaux de thermoplongeurs en service acide et alcalin
Les conséquences pratiques de l’utilisation du quartz dans les bains alcalins
Le premier signe de défaillance du quartz dans un bain alcalin est généralement un changement dans l’apparence du tube. La surface devient dépolie ou gravée à mesure que la silice se dissout. Le mur s'amincit. Le tube peut devenir plus fragile et susceptible de subir des dommages mécaniques.
À mesure que la paroi s'amincit, la résistance thermique diminue et la température de la gaine baisse légèrement. Le radiateur peut sembler fonctionner mieux au début. Mais l’amincissement se poursuit jusqu’à ce que le mur ne puisse plus contenir l’élément. La panne est souvent soudaine-une fissure ou un trou qui permet à la solution alcaline d'entrer en contact avec l'élément chauffant.
L'échec peut être dangereux. Les solutions alcalines sont conductrices. Lorsque la solution atteint l'élément sous tension, un court-circuit se produit. La protection contre les défauts à la terre devrait se déclencher, mais si ce n'est pas le cas, le chauffage et le réservoir peuvent être endommagés.
Quand le quartz est le bon choix
Le quartz est le bon choix pour les bains acides où sa densité en watts plus élevée et son coût inférieur constituent un avantage. Il est couramment utilisé dans :
Diluer les cuves de rinçage à l'acide sulfurique
Bains de décapage à l'acide nitrique sans HF
Solutions de nettoyage à l'acide phosphorique
Réservoirs de rinçage à l'eau désionisée
Bancs humides de semi-conducteurs avec chimie acide
Dans ces applications, le quartz fonctionne bien et coûte moins cher que le PTFE. La limitation est la chimie alcaline et les bains contenant du HF-, où le quartz se dissout ou s'attaque.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix pour les bains alcalins, les bains contenant du HF- et les produits chimiques mixtes où le pH peut osciller entre acide et alcalin. Il est également préférable pour les bains à haute teneur en solides dissous, où des dépôts se forment sur la surface du radiateur et nécessitent un nettoyage périodique avec des solutions alcalines ou acides.
La densité de watts plus faible du PTFE signifie qu'une plus grande surface est nécessaire pour la même puissance. Dans les réservoirs compacts, cela peut constituer une limitation. Mais dans les réservoirs disposant d’un espace suffisant, la durée de vie plus longue et la compatibilité chimique plus large du PTFE compensent l’inconvénient de taille.
Lorsqu’aucun matériau ne convient à l’application
Certaines applications présentent une chimie que ni le quartz ni le PTFE ne gèrent bien. Un bain qui alterne entre un acide fort et un alcalin fort-comme une ligne de nettoyage avec des étapes acide et caustique partageant un chauffage commun-nécessite un matériau qui résiste aux deux. Le PTFE est le seul matériau de thermoplongeur courant qui le fasse.
Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec une faible densité de watts, une grande surface et des boîtiers de bornes scellés convient aux applications où le quartz tombe en panne et l'acier inoxydable se corrode. Le processus de spécification nécessite la composition chimique du bain, la plage de pH, la température de fonctionnement, les dimensions du réservoir et la puissance requise. Pour les installations équipées de bains chimiques -alcalins ou mixtes, cette approche spécifique à l'application-offre un service fiable là où les matériaux standards ne suffisent pas.
