Pourquoi un radiateur de qualité PFA très pur (à faible-cendres) pourrait-il présenter une dégradation diélectrique plus précoce dans des environnements-à forte humidité ?

Pour les applications essentielles nécessitant peu de matières extractibles et de polluants ioniques, des qualités PFA très pures (qualité faible-cendres, semi-conducteur-) sont spécifiées. Ces qualités ont une teneur en cendres<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.

Mécanisme d’absorption de l’humidité et de dégradation diélectrique
Le PFA absorbe 0,03 à 0,10 % d'eau en poids à 100 % HR en fonction de la température et de la cristallinité. Les molécules d'eau absorbées sont mobiles et peuvent conduire un courant ionique dans un champ électrique. Si l’intensité du champ électrique est supérieure à celle que le matériau peut supporter, généralement 15 à 25 kV/mm pour le PFA sec, un claquage diélectrique se produira. L'humidité absorbée réduit la résistance au claquage à 10-15 kV/mm à 80 % HR et 5-10 kV/mm à 100 % 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 Cette réaction utilise l'eau libre et la combine chimiquement. L'eau liée est nettement moins mobile et conductrice que l'eau libre. Les particules de charge servent également de points de diffusion pour les électrons, augmentant ainsi la longueur du trajet de claquage. Le PFA très pur ne contient pas de telles charges (cendres<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 standard par rapport à l'Utra-rigidité diélectrique du PFA pur
Teneur en cendres de qualité PFA (%) Absorption d'eau à 60 degrés, 80 % HR (%) Rigidité diélectrique (kV/mm) à 80 % HR Temps de chute de la résistance d'isolation (<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
Haute-pureté 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 heuresAlimentation, produits pharmaceutiques
Ultra-pur (faible-cendres) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2 000–4 000 heures Semi-conducteurs, laboratoires critiques
Ultra-pur avec charge déshydratante (spéciale) 0,01–0,02 (charge ajoutée) 0,04–0.06 11–14 6,000–10 000 heuresHaute humidité + haute pureté
Standard avec capteur d'humidité 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15 000 hEnvironnements tropicaux et extérieurs
Preuves de terrain issues de la fabrication de semi-conducteurs
L'usine de semi-conducteurs a installé des radiateurs PFA ultra-purs (cendres<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.

Atténuation des PFA ultra-purs en service humide
Pour les situations d'humidité élevée (par exemple, bancs humides de semi-conducteurs avec humidité produite par le processus) où des réchauffeurs PFA ultra-purs sont nécessaires, trois mesures d'atténuation améliorent la fiabilité diélectrique :

Purge à l'azote : appliquez un flux constant d'azote sec sur le côté froid du radiateur. La pression positive empêche l'air humide de toucher l'interface métallique PFA-. La purge à l'azote augmente la durée de vie de la résistance d'isolation de 5 à 10 fois.

Densité de watts inférieure : réduisez la contrainte du champ électrique en fonctionnant à une tension plus faible (208 V contre . 480V) et/ou en utilisant un appareil de chauffage plus grand (W/cm² inférieur). L'intensité de champ inférieure diminue la puissance motrice du courant de fuite.

Capteur d'humidité : installez un tamis moléculaire (zéolite ou gel de silice) dans la région froide. Le getter absorbe toute humidité qui s'échappe à travers le PFA. Changez le getter tous les 6 à 12 mois.

Pour les applications qui nécessitent une pureté élevée et une humidité élevée (par exemple, les réacteurs humides pharmaceutiques), utilisez du PFA ultra-pur avec une charge supplémentaire stabilisatrice d'humidité-. Divers fabricants fabriquent du PFA ultra-pur de « haute qualité d'humidité » avec 0,01 à 0,02 % d'oxyde de calcium ou d'hydrotalcite synthétique. Ces qualités ont une rigidité diélectrique de 12 à 14 kV/mm à 85 % HR, similaire au PFA normal, tout en conservant de faibles extractibles.

Conclusion : Le PFA standard est supérieur à l'Ultra-Pure en cas d'humidité élevée.
Très pur (faible teneur en cendres) Lorsque des absorbeurs d'humidité ne sont pas ajoutés au mastic, les radiateurs PFA ont tendance à se décomposer plus tôt que le PFA normal dans des conditions d'humidité élevée (supérieure ou égale à 80 % d'humidité relative). La conductivité ionique est augmentée par l'eau libre dans la matrice polymère et la rigidité diélectrique diminue de 12 à 15 kV/mm à 8 à 10 kV/mm. Le PFA standard avec 0,1 à 0,5 % de cendres survivra 2 à 4 fois plus longtemps que le PFA ultra-pur en service humide. Les ingénieurs ne doivent pas supposer que « plus pur est mieux » dans toutes les situations. Pour les applications sèches, le PFA ultra-pur offre le plus haut degré de propreté. Dans les applications humides, un PFA normal ou ultra-pur avec une charge stabilisatrice d'humidité-est préférable. Si de faibles matières extractibles et une humidité élevée sont souhaitables pour l'application, prévoir une purge à l'azote ou des capteurs d'humidité. La rupture diélectrique induite par l'humidité est une limitation de la conception et non du matériau. Choisissez le grade PFA en fonction de l'environnement, et non d'un idéal de pureté théorique. Un peu de cendre est une bonne chose en cas d'humidité.