Kuinka kuuma väkevöity tina(II)kloridi (SnCl₂) -liuos 60–90 asteessa muuttaa vaadittua kvartsivaipan seinämän paksuutta herkistymistä ja sähköttömiä pinnoituslämmittimiä varten?

Hapettumisen ja hydrolyysin aiheuttama tinapitoisten liuosten aiheuttama sulatetun piidioksidin hyökkäys

Tina(II)kloridi (tinakloridi, SnCl 2 ) on tärkeä kemikaali kemiallisessa pinnoituksessa (ei--johtavien pintojen herkistäminen ennen metallointia), tina-pinnoitetun teräksen valmistuksessa ja pelkistimenä orgaanisessa synteesissä. Tyypilliset määrät ovat 10–50 g/l SnCl 2:ta suolahapossa (10–30 ml/L väkevä HCl) hydrolyysin ja hapettumisen estämiseksi. Herkistyskylvyt ja sähköttömät menetelmät toimivat 60–90 asteen lämpötiloissa. Kvartsi-upotuslämmittimet on usein määritelty tinakloridikäyttöön, koska sulatettu piidioksidi kestää voimakkaasti suolahappoa näissä pitoisuuksissa. Tinakloridilla on kuitenkin oma hajoamismekanisminsa. Sn 2+ hapettuu Sn:ksi 4+ ja hydrolysoituu sitten metastannihapoksi (H 2 SnO 3 tai SnO 2 .xH 2 O), joka saostuu valkoisena hyytelömäisenä kerroksena kvartsin pinnalle. Lämpö, ​​liuennut happi ja kuuma kvartsin pinta itsessään edistävät hapettumista. Muodostunut tina(IV)oksidi/hydroksidipinnoite on lämpöä eristävä ja johtaa kuumapisteiden muodostumiseen ja lämpörasitukseen. Lisäksi hydrolyysireaktio kuluttaa H+ , mikä nostaa paikallista pH:ta lähellä kvartsin pintaa, mikä voi aiheuttaa paikallisen alkalisen hyökkäyksen, jos pH on yli 5–6. Tässä tutkimuksessa arvioidaan SnCl2-pitoisuuden, lämpötilan (60-90 °C) ja liuoksen happamuuden vaikutuksia tinakerrostuman kehittymisnopeuteen ja taustalla olevaan happokorroosioon. Käytettävissä on johdannainen kvartsivaipan seinämäpaksuudesta, joka tarvitaan herkistys- ja kemiallisten pinnoituslämmittimien käytännön käyttöjaksojen (2 000-8 000 tuntia) kannalta.

Tina(IV)-lajien laskeutumisen kinetiikka kvartsipinnoille

Saostumien muodostuminen, ei kemiallinen korroosio, on pääasiallinen syy kvartsin hajoamiseen tinakloridiliuoksissa. Tinaionit (Sn^2+) ovat epävakaita ilmassa ja hapettuvat nopeasti: 2Sn 2+ + O 2 + 4H + → 2Sn 4+ + 2H 2 O Sn⁴⁺-ionit hydrolysoituvat voimakkaasti: Sn⁴⁺ + 4H₂O) → Sn⁴⁺ + 4H₂O) H2SnO3·H2O) + 4H⁺. Hydrolyysin tulos, metastannihappo, on liukenematonta ja saostuu valkoisena hyytelömäisenä massana. Tällä kiinteällä aineella on korkea tarttuvuus kuumiin pintoihin, esimerkiksi kvartsivaippaan. Laskeumanopeuden määrää Sn$^{2+}$ hapettumisnopeus, joka on liuenneen hapen pitoisuudessa ensiluokkaista ja nousee eksponentiaalisesti lämpötilan mukana. Sn2+:n puoliintumisaika ilma-kyllästetyssä liuoksessa (ilman antioksidanttia) 70 °C:ssa on noin 10-20 tuntia. 90 asteessa se lyhenee 2–4 tuntiin.

Tinakerrostuman kasvunopeuden sulatetulla kvartsilla tyypillisessä herkistyskylvyssä (30 g/l SnCl2, 20 ml/l HCl) 70 asteessa havaittiin olevan 0,01-0,05 mm ekvivalenttipaksuus/viikko. Sakka on aluksi pehmeää ja hyytelömäistä, mutta voi jähmettyä ajan myötä. Kerros on lämpöä eristävä, 0,1 mm paksu pinnoite voi estää lämmönsiirron 10-20 %. Sakka paksuuntuu ja alla oleva kvartsi lämpenee, mikä nopeuttaa paikallista hapettumista ja kerrostuman tuotantoa. Vaikeissa olosuhteissa sakka voi irrota ja kantaa mukanaan pieniä kvartsihiukkasia. Kvartsin peruspinnassa ei ole havaittavissa olevaa kemiallista korroosiota (happohyökkäystä), koska HCl:n pitoisuus (0,2–0,3 M) on riittävän korkea pitämään pH:n alle 1, jotta vältetään kvartsin pinnan alkalinen vaikutus.

Jos kylvyn happamuus on liian alhainen (ei tarpeeksi HCl:a), paikallinen pH lähellä kvartsin pintaa voi nousta korkeammaksi kuin 3–4 johtuen Sn4+.:n hydrolyysin aiheuttamasta H+:n kulutuksesta. pH:ssa > 5 alkali (OH− veden autoionisaatiosta) alkaa hyökätä kvartsia vastaan ​​korroosionopeudella 0,0005–0,02 mm/tunti. Yleensä tämä on vaatimatonta verrattuna talletusten aiheuttamiin ongelmiin.

Saostumien muodostuminen on erityisen voimakasta meniskivyöhykkeellä. Haihtumisen edetessä SnCl2 konsentroituu ja hapettuminen ja hydrolyysi ovat nopeita. Nesteviivan lähelle voi muodostua kiinteä valkoinen kuori. Höyrysuoja estää meniskikuoren muodostumisen ja pitää nesteen tason vakiona.

Tinakloridilämmittimien seinämän paksuus ja käyttöikä

Vikamekanismi on saostuman -indusoitu lämpörasitus, ei seinämän oheneminen. Kvartsin seinämän paksuuden lisääminen ei estä kerrostumien muodostumista. Paksumpi seinä kestää kuitenkin paremmin lämpöshokkia, jos muodostuu kuumia alueita. Kylpyihin, joissa kerrostumia muodostuu nopeasti (korkea lämpötila, korkea happialtistus), suositellaan paksumpaa seinämää (2,5-3,0 mm), jotta se suojaa halkeilua vastaan. Kylpyhuoneissa, joissa on vahva antioksidanttikontrollointi (esim. tinakloridistabilointiaineiden, kuten askorbiinihapon tai hypofosfiitin lisäys), kerrostumat ovat huomattavasti alhaisemmat ja tyypilliset 1,5–2,0 mm seinät sopivat.

Säännöllinen puhdistus laimealla kloorivetyhapolla (5-10 %) liuottaa tinasaostumia kvartsin pinnalta. Puhdistusliuos ei vahingoita kvartsia ympäristön lämpötilassa. Olipa seinä paksu tai ohut, viikoittainen tai kuukausittainen puhdistusjakso voi pidentää lämmittimen käyttöikää loputtomasti.

Tinakloridiliuosten seinämän paksuuden lisääntyminen

Tinakloridiliuosten lämmönjohtavuus 30 g/l:ssa ja 70 asteessa on noin 0,55-0,60 W/(m·K), mikä on lähellä veden lämmönjohtavuutta. 1,5 mm:n seinälle R_cond=0.00109; seinälle 3,0 mm, R_cond=0.00217. h=800 W/(m2.K), R_boundary=0.00125 U laskee arvosta 427 arvoon 292 W/(m2,K), 32 % vähennys. Energiatehokkuus suosii ohuita seiniä, mutta kerrostumien kerääntyminen vaatii usein paksumpia seiniä mekaanisen kestävyyden varmistamiseksi.

Matriisi kvartsivaipan seinämän paksuuden valintaa varten Hot SnCl₂ -palvelua varten – skenaario-perustuu

Toimintaparametrit ja käyttöskenaarioSuositeltu seinämän paksuus Perusperusteet määrällisillä{0}}korvauksilla
Herkistyskylpy (30 g/l SnCl₂, 20 ml/L HCl, 70 astetta, jatkuva, puhdistus viikoittain) 2,0 – 2,5 mm, liekkikiillotettu, standardilaatu Keskitasoinen tinakerrostuma. Paksumpi seinä estää saostumien kuumien pisteiden aiheuttaman lämpörasituksen. Tarttuvuus vähemmän liekki-kiillotusaine. U ~ 380 W/(m2·K)
Antioksidantti hidastaa hapettumista. Sähkötön nikkeliherkistys (50 g/L SnCl 2, 80 astetta, lisätty antioksidantti) 2,0 mm, vedettynä Alhainen talletusprosentti. Matala seinä säästää energiaa. U ≈ 420 W/m2/K.
Korkean lämpötilan tina(II)-liuos (90 astetta, mikä tahansa) 2,5 – 3,0 mm, höyrysuoja Hapetus, nopea. Vaatii säännöllistä puhdistusta. Höyrysuoja minimoi meniskin kertymistä.
Bath with inadequate HCl (pH >2) 2,5 mm, säädä pH arvoon 2 Alkalinen hyökkäys kvartsiriskille. Paksu seinä sallii korroosion. Säädä pH arvoon<1.5.
Muut suunnittelumuutokset: Sn2+ hapettumista hidastetaan lisäämällä askorbiinihappoa, hypofosfiittia antioksidantteina. Liuennut happi poistetaan typellä suihkuttamalla. Säännöllinen puhdistus 10 % HCl:lla liuottaa tinajäämät. Korkean happamuuden ylläpitäminen (pH<1.5) prevents alkaline attack. A polished surface reduces deposit adhesion.