Nei campi di analisi chimica, biofarmaci e ricerca e sviluppo materiale, la minaccia della corrosività solvente per le prestazioni delle attrezzature sta diventando sempre più importante. Quando le tradizionali valvole a bottiglia di alluminio entrano a contatto con acidi forti (come acido solforico concentrato), alcali forti (come idrossido di sodio) e solventi organici (come l'acetone), sono soggetti a corrosione superficiale, rivestimento di peeling o degradazione della proprietà meccanica, con conseguente riduzione dell'accuratezza del dosaggio e persino fallimento delle attrezzature. La valvola quantitativa di bottiglia quantitativa D1S2.8 120MCl Dosage Cup da un pollice introduce il politetrafluoroetilene (PTFE), a partire dalle proprietà intrinseche del materiale, per costruire un sistema di protezione attivo per ambienti corrosivi, fornendo una nuova soluzione per l'equipaggiamento da misurazione di precisione.
Il forte legame C-F della catena molecolare PTFE gli conferisce un'energia superficiale estremamente bassa (circa 18 mn/m), che è la base fisica principale per raggiungere la superidrofobicità. Nel rivestimento da 10μm, le catene molecolari PTFE lavorano insieme attraverso i seguenti meccanismi:
Disposizione della catena molecolare diretta: durante il processo di spruzzatura, quando il PTFE fuso ad alta temperatura si raffredda sulla superficie del substrato di stagno, le catene molecolari sono disposte in direzione verticale per formare una struttura ruvida in scala nano.
Struttura composita micro-nano: la superficie del rivestimento è distribuita con sporgenze su scala micron da 50-200 Nm e pori nano su scala da 10-50 nm. Questa struttura rende l'angolo di contatto delle goccioline d'acqua che raggiunge 110 °, superando di gran lunga la normale superficie idrofobica (> 90 °).
Effetto di attrito di rotolamento: quando il liquido corrosivo contatta il rivestimento, la goccia forma una forma sferica a causa della tensione superficiale e può rotolare verso il basso con un angolo di inclinazione di soli 2 °, riducendo il tempo di contatto con il substrato di oltre il 90%.
L'inertezza chimica del PTFE deriva dalla sua struttura a fluorina di carbonio completamente satura, che rende estremamente forte e difficile l'interazione tra catene molecolari. In particolare, si manifesta come segue:
Resistenza al solvente: nei solventi organici come l'acetone e il tetraidrofurano, la conformazione elicoidale della catena molecolare PTFE rimane stabile e il tasso di perdita di massa dopo 24 ore di immersione è inferiore allo 0,1%, che è molto inferiore a quella dei tradizionali rivestimenti di fluorocarbario (circa l'1%).
Acido e stabilità alcali: nell'acido solforico concentrato (98%) e nell'idrossido di sodio (30%), sulla superficie PTFE si verifica solo un adsorbimento fisico molto lento e non viene rilevata alcuna rottura del legame chimico o degradazione della catena molecolare.
Resistenza alle intemperie: nell'intervallo da -50 ℃ a 250 ℃, la cristallinità della catena molecolare PTFE rimane stabile, evitando il rivestimento del rivestimento causato dall'espansione termica.
La capacità di auto-guarigione del rivestimento PTFE deriva dalle sue caratteristiche uniche del movimento della catena molecolare e dalla struttura dei pori:
Migrazione della catena molecolare: quando i graffi a livello di micron appaiono sulla superficie del rivestimento, la catena molecolare PTFE può migrare lungo la direzione del graffio sotto stress e riempire automaticamente il difetto.
Effetto tampone della porosità: i pori a livello di micron distribuiti nel rivestimento consentono di penetrare una piccola quantità di liquido, ma le catene molecolari PTFE sulla parete dei pori sono riorganizzate sotto pressione del liquido per formare uno strato di tenuta dinamica.
Reattività ambientale: in un ambiente umido, le molecole d'acqua adsorbite sulla superficie del PTFE possono promuovere lo slittamento delle catene molecolari e accelerare il processo di auto-guarigione.
Le prestazioni del rivestimento PTFE dipendono fortemente dai parametri del processo di spruzzatura:
Pretrattamento del substrato: il substrato di stagno deve essere pulito e trattato con un agente di accoppiamento al silano per garantire che l'adesione del rivestimento sia ≥8 MPA.
Parametri di spruzzatura: la tecnologia di spruzzatura al plasma viene utilizzata per controllare la distanza di spruzzatura di 150 mm, tensione di 80kV e corrente di 1,2a per formare un rivestimento denso e uniforme.
Post-trattamento: dopo aver spruzzato, viene eseguita la sinterizzazione ad alta temperatura a 350 ℃ per cristallizzare completamente la catena molecolare PTFE e migliorare la durezza (≥2h) e la resistenza all'usura del rivestimento.
Per garantire la stabilità delle prestazioni del rivestimento, è necessario stabilire i seguenti standard di controllo di qualità:
Uniformità dello spessore: la deviazione dello spessore del rivestimento è ≤ ± 1μm attraverso la microscopia confocale laser.
Controllo della porosità: la porosità è determinata dall'intrusione del mercurio e il valore target è del 15% -20% per bilanciare l'idrofobicità e la capacità di auto-guarigione.
Verifica della resistenza alla corrosione: in un ambiente di corrosione simulato (come 1Mol/L H₂SO₄ 0,1 MOL/L NACL), la variazione di impedenza del rivestimento è monitorata dalla spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) per garantire che la velocità di caduta di impedenza sia <5% in 24 ore.
Analisi del meccanismo di protezione del rivestimento PTFE
La superidrofobicità riduce il rischio di corrosione attraverso i seguenti meccanismi:
Effetto di rimbalzo delle goccioline: quando le goccioline ad alta velocità colpiscono il rivestimento, la superficie superidrofobica fa rimbalzare le goccioline per evitare la corrosione dell'impatto.
Isolamento del film d'aria: quando le goccioline rotolano verso il basso, si forma un film d'aria sulla superficie del rivestimento, bloccando il contatto diretto tra il mezzo corrosivo e il substrato.
Funzione di autopulero: la superidrofobicità rende difficile per gli inquinanti aderire alla superficie del rivestimento, riducendo il verificarsi della corrosione locale.
L'inertezza chimica di PTFE raggiunge la protezione dei solventi nei seguenti modi:
Scudo fisico: la densa struttura di rivestimento impedisce la penetrazione di molecole di solvente ed evita la corrosione del substrato.
Compatibilità molecolare: esiste solo una forza di van der Waals debole tra PTFE e solventi organici e non si verifica alcuna reazione chimica.
Stabilità a lungo termine: dopo 2000 ore di contatto continuo con solventi, il tasso di perdita di massa del rivestimento è ancora inferiore allo 0,5%.
Il meccanismo di auto-guarigione estende la vita di rivestimento attraverso i seguenti modi:
Riparazione di microcrack: sotto stress, le catene molecolari PTFE migrano verso le fessure e formano nuovi legami chimici.
Sigillatura dei pori: il liquido penetrante forma l'alta pressione locale nei pori, spingendo le catene molecolari a riorganizzare e chiudere i pori.
Riparazione indotta ambientale: in ambienti umidi o ad alta temperatura, il tasso di auto-guarigione è significativamente migliorato e può essere ripristinato oltre il 90% delle prestazioni protettive del rivestimento.
Il valore dell'applicazione del rivestimento PTFE in Valvola bottiglia D1S2.8
Il rivestimento PTFE consente alla valvola della bottiglia di mantenere uno stato superficiale stabile in un ambiente corrosivo e la deviazione del dosaggio è ridotta da ± 3% a ± 1%, migliorando significativamente l'accuratezza dell'analisi.
Nello scenario di analisi della cromatografia industriale simulata, la vita della valvola di bottiglia non rivestita è di 6 mesi, mentre la vita della valvola bottiglia rivestita PTFE supera i 5 anni e il costo di manutenzione è ridotto dell'80%.
Campo farmaceutico: nella preparazione di nano-droghe, il rivestimento riduce la deviazione del diametro delle goccioline da ± 10% a ± 3%, migliorando l'uniformità del farmaco.
Analisi chimica: insieme al campionatore automatico, può ottenere 72 ore di funzionamento continuo con un tasso di guasto inferiore allo 0,1%.
Monitoraggio ambientale: nel campionatore PM2.5, la resistenza alle intemperie del rivestimento consente al dispositivo di mantenere la stabilità del dosaggio in ambienti estremi, con un tasso di errore di dati inferiore al 2%.
