Per què un escalfador de grau PFA molt pur (baix-cendra) pot mostrar una ruptura dielèctrica anterior en entorns d'alta-humitat?

Per a aplicacions essencials que requereixen pocs extractibles i contaminants iònics, s'especifiquen els graus de PFA molt purs (-cendra baixa, grau de semiconductors-). Aquests graus tenen contingut de cendra<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.

Mecanisme d'absorció d'humitat i ruptura dielèctrica
El PFA absorbeix un 0,03-0,10% d'aigua en pes al 100% d'HR, depenent de la temperatura i la cristal·linitat. Les molècules d'aigua absorbides són mòbils i poden conduir el corrent iònic en un camp elèctric. Si la intensitat del camp elèctric és superior a la que pot suportar el material, normalment entre 15 i 25 kV/mm per a PFA sec, es produirà una ruptura dielèctrica. La humitat absorbida redueix la resistència a la ruptura a 10-15 kV/mm al 80% d'HR i 5-10 kV/mm al 100% d'HR.

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 Aquesta reacció utilitza aigua lliure i la combina químicament. L'aigua lligada és substancialment menys mòbil i conductora que l'aigua lliure. Les partícules de farciment també serveixen com a punts de dispersió dels electrons, augmentant la longitud del camí de ruptura. El PFA molt pur no conté aquests farcits (cendra<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 estàndard i resistència dielèctrica de PFA pur Utra-
Contingut de cendres de grau PFA (%) Absorció d'aigua a 60 graus, 80% HR (%) Rigidesa dielèctrica (kV/mm) a 80% RH Temps de caiguda de resistència d'aïllament (<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
Alta -puresa 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 horesAliments, productes farmacèutics
Ultra-pura (baixa-cendra) 0,005–0.01 0.08–{0.10 8–{10 2,000–4,000 hores Semiconductors, laboratoris crítics
Ultra-pur amb farciment dessecant (especial) 0,01–0,02 (farciment afegit) 0,04–0.06 11–14 6,000–10.000 hores Alta humitat + alta puresa
Estàndard amb eliminador d'humitat 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15.000 h Configuració tropical, exterior
Evidència de camp de la fabricació de semiconductors
La fàbrica de semiconductors va instal·lar escalfadors de PFA ultra-purs (cendra<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.

Mitigació de PFA ultra-pur en servei humit
Per a situacions d'alta humitat (per exemple, bancs humits de semiconductors amb humitat produïda pel procés) on es requereixen escalfadors de PFA ultra-purs, tres mitigacions milloren la fiabilitat dielèctrica:

Purga de nitrogen: apliqueu un corrent constant de nitrogen sec al costat fred de l'escalfador. La pressió positiva evita que l'aire humit toqui la interfície de metall PFA-. La purga de nitrogen augmenta la vida útil de la resistència de l'aïllament 5-10X.

Menor densitat de watts: reduïu l'estrès del camp elèctric funcionant a una tensió més baixa (208 V vs . 480V) i/o utilitzant un escalfador més gran (menor W/cm²). La menor intensitat de camp redueix la potència de conducció del corrent de fuga.

Captador d'humitat: instal·leu un tamís molecular (zeolita o gel de sílice) a la regió freda. El getter absorbeix qualsevol humitat que es filtra a través del PFA. Canvieu el getter cada 6 o 12 mesos.

Per a aplicacions que necessiten una puresa i una humitat elevades (per exemple, reactors humits farmacèutics), utilitzeu PFA ultra-pur amb farciment estabilitzador-d'humitat addicional. Diversos fabricants fabriquen PFA ultra-pur d'"alt-grau d'humitat" amb un 0,01-0,02% d'òxid de calci o hidrotalcita sintètica. Aquests graus tenen una rigidesa dielèctrica de 12-14 kV/mm a un 85% d'humiditat relativa, similar al PFA normal, tot mantenint extraïbles baixos.

Conclusió: el PFA estàndard és superior a Ultra-Pure amb una humitat elevada
Molt pur (baixa cendra) Quan no s'afegeixen absorbents d'humitat al farciment, els escalfadors de PFA tendeixen a descompondre's abans que el PFA normal en entorns d'humitat alta (més o igual al 80% d'HR). La conductivitat iònica augmenta amb l'aigua lliure de la matriu del polímer i la rigidesa dielèctrica disminueix de 12-15 kV/mm a 8-10 kV/mm. El PFA estàndard amb un 0,1-0,5% de cendres sobreviu 2-4 vegades més que el PFA ultra-pur en servei humit. Els enginyers no haurien d'assumir que "més pur és millor" en totes les situacions. Per a aplicacions en sec, el PFA ultra-pur ofereix el màxim grau de neteja. En aplicacions humides, és preferible PFA normal o farcit estabilitzador ultra-pur amb-humitat. Si s'aconsegueix una aplicació tant d'extractibles baixos com d'alta humitat, proporcioneu purgues de nitrogen o captadors d'humitat. La ruptura dielèctrica-induïda per la humitat és una limitació del disseny, no del material. Trieu el grau de PFA segons l'entorn, no un ideal de puresa teòrica. Una mica de cendra és una cosa agradable a la humitat.