Tại sao lò sưởi loại PFA rất tinh khiết (có hàm lượng tro-thấp) có thể bị hỏng điện môi sớm hơn trong môi trường có độ ẩm-cao?

Đối với các ứng dụng thiết yếu yêu cầu chất gây ô nhiễm ion và chất có thể chiết xuất thấp, các loại PFA rất tinh khiết (cấp độ tro thấp, chất bán dẫn{1}}) được chỉ định. Các loại này có hàm lượng tro<0.01% (versus 0.1-0.5% for normal PFA). Paradoxically, very pure PFA heaters can show sooner dielectric breakdown than conventional PFA heaters in high humidity conditions (≥80% RH). That's because conventional PFA contains trace metal oxides (calcium oxide, magnesium oxide, aluminium oxide) that are water-absorbing fillers or stabilisers. These oxides react with moisture to generate hydroxides which devour water molecules and maintain high electrical resistance. These moisture scavenging organisms are absent in very pure PFA. The absorbed water molecules stay free in the polymer matrix, enhancing the ionic conductivity and reducing the dielectric strength. In high humidity environments, the electrical dependability of normal PFA can be better than ultra-pure PFA.

Cơ chế hấp thụ độ ẩm và phân hủy điện môi
PFA chiếm 0,03-0,10% trọng lượng nước ở độ ẩm 100% tùy thuộc vào nhiệt độ và độ kết tinh. Các phân tử nước được hấp thụ có tính di động và có thể dẫn dòng ion trong điện trường. Nếu cường độ điện trường cao hơn mức vật liệu có thể chịu được, thường là 15–25 kV/mm đối với PFA khô, thì sự cố điện môi sẽ xảy ra. Độ ẩm được hấp thụ làm giảm cường độ phân hủy xuống 10-15 kV/mm ở 80% RH và 5-10 kV/mm ở 100% RH.

Standard PFA usually comprises 0.1 to 0.5 percent inorganic fillers, often calcium oxide, magnesium oxide, or aluminium silicate, which are used as acid acceptors to stabilise the polymer during processing. These oxides are hygroscopic : CaO + H2O -->Ca(OH)2 Phản ứng này sử dụng hết nước tự do và kết hợp nó về mặt hóa học. Nước liên kết về cơ bản ít linh động và dẫn điện hơn nước tự do. Các hạt độn cũng đóng vai trò là điểm tán xạ cho các electron, làm tăng chiều dài đường phân hủy. PFA rất tinh khiết không chứa các chất độn như vậy (tro<0.01%). The water that is absorbed is left as free water and creates conduction paths. Less filler content also means less physical impediments to electron avalanche.

PFA tiêu chuẩn và Utra-Độ bền điện môi PFA thuần túy
Hàm lượng tro cấp PFA (%) Hấp thụ nước ở 60 độ, 80% RH ( %) Độ bền điện môi (kV/mm) ở 80% RH Thời gian giảm điện trở cách điện (<100 MΩ) at 85°C, 85% RHTypical Application Standard (industrial) 0.15 – 0.30 0.05 – 0.07 12 – 15 8,000 – 12,000 hours Industrial general, high humidity
-độ tinh khiết cao 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 giờThực phẩm, Dược phẩm
Siêu-tinh khiết (tro-thấp) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2,000–4.000 giờ Chất bán dẫn, phòng thí nghiệm quan trọng
Siêu-tinh khiết với chất độn hút ẩm (đặc biệt) 0,01–0,02 (đã thêm chất độn) 0,04–0.06 11–14 6,000–10.000 giờ Độ ẩm cao + Độ tinh khiết cao
Tiêu chuẩn với bộ lọc độ ẩm 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15.000 hĐiều kiện nhiệt đới, ngoài trời
Bằng chứng thực địa từ quá trình sản xuất chất bán dẫn
Nhà máy bán dẫn đã lắp đặt-các bộ gia nhiệt PFA siêu tinh khiết (tro<0.01%) in a wet bench with 85% RH, 85°C process temperature. Heaters lasted an average of 2,500 hours before the insulation resistance dropped below 100 MΩ and triggered ground fault alarms. For the same application the fab converted to normal PFA heaters (ash 0.2%) with an expectation of reduced life due to greater extractables. All the conventional heaters surprisingly survived 9000 hours. Analysis indicated that conventional heaters had magnesium oxide filler that absorbed moisture and so maintained high resistance. Ultra-pure heaters had no filler and free water built up at the interface to the PFA-metal resulting in leakage. The fab now uses normal PFA for high humidity procedures and reserves ultra-pure PFA for dry processes (<30% RH) when extractables are the main focus.

Giảm thiểu PFA siêu tinh khiết trong dịch vụ ẩm
Đối với các tình huống có độ ẩm cao (ví dụ: bàn ướt bán dẫn có độ ẩm được tạo ra trong quá trình sản xuất) trong đó cần có bộ sưởi PFA siêu tinh khiết, ba biện pháp giảm thiểu sẽ cải thiện độ tin cậy điện môi:

Làm sạch nitơ: Áp dụng một dòng nitơ khô liên tục vào mặt lạnh của lò sưởi. Áp suất dương giữ cho không khí ẩm không chạm vào bề mặt kim loại-PFA. Việc tẩy nitơ làm tăng tuổi thọ điện trở cách điện lên 5-10 lần.

Mật độ watt thấp hơn: Giảm ứng suất điện trường bằng cách chạy ở điện áp thấp hơn (208V so với. 480V) và/hoặc sử dụng bộ sưởi lớn hơn (W/cm² thấp hơn). Cường độ trường thấp hơn làm giảm công suất truyền động của dòng điện rò rỉ.

Máy hút ẩm: Lắp gói sàng phân tử (zeolit ​​hoặc silica gel) ở vùng lạnh. Bộ thu hồi sẽ hấp thụ mọi hơi ẩm rò rỉ qua PFA. Thay đổi getter 6 đến 12 tháng một lần.

Đối với các ứng dụng cần độ tinh khiết cao và độ ẩm cao (ví dụ: lò phản ứng ẩm trong dược phẩm), hãy sử dụng PFA siêu tinh khiết có thêm chất độn ổn định độ ẩm-. Nhiều nhà sản xuất khác nhau tạo ra PFA siêu tinh khiết "cao{5}}độ ẩm"{6}}với 0,01-0,02% canxi oxit hoặc hydrotalcite tổng hợp. Các loại này có độ bền điện môi 12-14 kV/mm ở 85% RH, tương tự như PFA thông thường, trong khi vẫn duy trì khả năng chiết xuất thấp.

Kết luận: PFA tiêu chuẩn vượt trội hơn Ultra{0}}Tinh khiết trong điều kiện độ ẩm cao
Rất tinh khiết (ít tro) Khi chất hấp thụ độ ẩm không được thêm vào chất độn, bộ gia nhiệt PFA có xu hướng hỏng sớm hơn PFA thông thường ở cài đặt độ ẩm cao (Lớn hơn hoặc bằng 80% RH). Độ dẫn ion được tăng lên nhờ nước tự do trong nền polyme và độ bền điện môi giảm từ 12–15 kV/mm xuống 8–10 kV/mm. PFA tiêu chuẩn có 0,1–0,5 % tro sẽ tồn tại lâu hơn 2–4 lần so với PFA siêu tinh khiết{11}}trong điều kiện ẩm ướt. Các kỹ sư không nên cho rằng "tinh khiết hơn là tốt hơn" trong mọi tình huống. Đối với các ứng dụng khô, PFA{14}siêu tinh khiết mang lại mức độ sạch cao nhất. Trong các ứng dụng ẩm, PFA thông thường hoặc chất độn-siêu tinh khiết có chất độn ổn định độ ẩm{17}}là thích hợp hơn. Nếu muốn sử dụng cả chất chiết xuất thấp và độ ẩm cao, hãy cung cấp máy lọc nitơ hoặc máy thu ẩm. Sự cố điện môi do độ ẩm{20}}gây ra là một hạn chế của thiết kế chứ không phải của vật liệu. Chọn loại PFA theo môi trường xung quanh, không phải là độ tinh khiết lý tưởng về mặt lý thuyết. Một chút tro là điều tốt trong môi trường ẩm ướt.