چگونه محلول گرم غلیظ قلع (II) کلرید (SnCl2) در دمای 60 تا 90 درجه ضخامت دیواره غلاف کوارتز مورد نیاز را برای گرم کننده های حساس و آبکاری بدون الکترود تغییر می دهد؟

حمله سیلیس ذوب شده توسط محلول های قلع که توسط اکسیداسیون و هیدرولیز هدایت می شوند

کلرید قلع (II) (کلرید قلع، SnCl 2) یک ماده شیمیایی مهم برای آبکاری الکترولس (حساس شدن سطوح غیر رسانا قبل از فلز شدن)، ساخت فولاد قلع-و به عنوان یک عامل کاهنده در سنتز آلی است. مقادیر معمولی 10-50 گرم در لیتر SnCl 2 در اسید هیدروکلریک (10-30 میلی لیتر در لیتر HCl متمرکز) برای جلوگیری از هیدرولیز و اکسیداسیون است. حمام های حساس سازی و روش های الکترولس در دمای 60 تا 90 درجه کار می کنند. بخاری های غوطه وری کوارتز به دلیل مقاومت قوی سیلیس ذوب شده در برابر اسید کلریدریک در این غلظت ها اغلب برای عملکرد کلرید قلع مشخص می شوند. با این حال، کلرید قلع مکانیسم تجزیه خاص خود را دارد. Sn 2+ به Sn 4+ اکسید می شود و سپس به اسید متاستنیک (H 2 SnO 3 یا SnO 2 . xH 2 O) هیدرولیز می شود که به صورت یک لایه ژلاتینی سفید روی سطح کوارتز رسوب می کند. گرما، اکسیژن محلول و سطح داغ کوارتز خود باعث اکسیداسیون می شوند. پوشش اکسید/هیدروکسید قلع (IV) تشکیل شده از نظر حرارتی عایق است و منجر به تشکیل نقطه داغ و تنش حرارتی می شود. علاوه بر این، واکنش هیدرولیز H+ را مصرف می‌کند، از این رو pH محلی نزدیک سطح کوارتز افزایش می‌یابد، که اگر pH بالاتر از 5-6 باشد ممکن است باعث حمله قلیایی موضعی شود. این تحقیق اثرات غلظت SnCl2، دما (60-90 درجه سانتیگراد) و اسیدیته محلول را بر سرعت توسعه رسوب قلع و خوردگی اسیدی زیرین ارزیابی می کند. اشتقاقی برای ضخامت دیواره غلاف کوارتز لازم برای دوره های خدمات عملی (2000 تا 8000 ساعت) گرم کننده های حساس سازی و آبکاری الکترولس ارائه شده است.

سینتیک رسوب گونه های قلع (IV) بر روی سطوح کوارتز

تشکیل رسوب، نه خوردگی شیمیایی، علت اصلی تخریب کوارتز در محلول‌های کلرید قلع است. یون‌های قلع (Sn^2+) در هوا ناپایدار هستند و به سرعت اکسید می‌شوند: 2Sn 2+ + O 2 + 4H + → 2Sn 4+ + 2H2O یون‌های Sn4+ به‌شدت هیدرولیز می‌شوند: Sn4+ (OH) → H2 H2SnO3·H2O) + 4H+. متاستنیک اسید، نتیجه هیدرولیز، نامحلول است و به صورت یک توده ژلاتینی سفید رسوب می کند. این جامد چسبندگی بالایی به سطوح داغ، به عنوان مثال به غلاف های کوارتز نشان می دهد. نرخ رسوب توسط نرخ اکسیداسیون Sn$^{{{{2+}$، که مرتبه اول در غلظت اکسیژن محلول است و به طور تصاعدی با دما افزایش می‌یابد، تعیین می‌شود. نیمه عمر-Sn2+ در محلول اشباع شده در هوا (بدون آنتی اکسیدان) در دمای 70 درجه سانتیگراد حدود 10 تا 20 ساعت است. در 90 درجه به 2-4 ساعت کاهش می یابد.

نرخ رشد رسوب قلع بر روی کوارتز ذوب شده در یک حمام حساس معمولی (30 گرم در لیتر SnCl2، 20 میلی لیتر در لیتر هیدروکلراید) در 70 درجه به ضخامت 0.01-0.05 میلی متر در هفته یافت شد. این رسوب در ابتدا نرم و ژلاتینی است، اما ممکن است با گذشت زمان سفت شود. رسوب عایق حرارتی است، پوشش 0.1 میلی متری می تواند انتقال حرارت را 10-20٪ مهار کند. رسوب ضخیم می شود و کوارتز زیر آن گرم می شود و اکسیداسیون موضعی و تولید رسوب را سرعت می بخشد. در شرایط شدید، رسوب می تواند پاره شود و ذرات کوارتز کوچک را با خود حمل کند. سطح کوارتز پایه هیچ خوردگی شیمیایی قابل ملاحظه ای (حمله اسیدی) نشان نمی دهد زیرا غلظت HCl (0.2-0.3 M) به اندازه کافی بالا است تا pH را زیر 1 نگه دارد تا از حمله قلیایی به سطح کوارتز جلوگیری شود.

اگر اسیدیته حمام خیلی کم باشد (HCl کافی نیست)، pH محلی نزدیک به سطح کوارتز ممکن است به دلیل مصرف H+ با هیدرولیز Sn{3}} در pH > 5 از 3-4 بالاتر شود، قلیایی (OH- از اتویونیزاسیون آب) شروع به حمله به کوارتز با نرخ خوردگی 0.0002-0.0005 میلی متر در ساعت می کند. معمولاً این در مقایسه با مشکلات ایجاد شده توسط سپرده ها بسیار کم است.

تشکیل رسوبات به ویژه در ناحیه منیسک شدید است. همانطور که تبخیر پیش می رود SnCl2 متمرکز می شود و اکسیداسیون و هیدرولیز سریع است. ممکن است یک پوسته سفید سفت در نزدیکی خط مایع تشکیل شود. یک محافظ بخار از تشکیل پوسته مینیسک جلوگیری می کند و سطح مایع را ثابت نگه می دارد.

ضخامت دیواره و عمر مفید بخاری های کلرید قلع

مکانیسم شکست استرس حرارتی ناشی از رسوب{0}}نه نازک شدن دیوار است. افزایش ضخامت دیواره کوارتز مانع از تولید رسوب نمی شود. با این حال، در صورت تشکیل نواحی داغ، دیواره ضخیم‌تر در برابر شوک حرارتی مقاوم‌تر است. برای حمام هایی که رسوبات به سرعت تشکیل می شوند (درجه حرارت بالا، قرار گرفتن در معرض اکسیژن بالا)، دیواره ضخیم تر (2.5 تا 3.0 میلی متر) توصیه می شود تا حاشیه ایمنی در برابر ترک خوردگی ایجاد کند. برای حمام هایی با کنترل آنتی اکسیدانی قوی (به عنوان مثال افزودن تثبیت کننده های کلرید قلع مانند اسید اسکوربیک یا هیپوفسفیت) نرخ رسوب به طور قابل توجهی کمتر است و دیواره های معمولی 1.5-2.0 میلی متر مناسب هستند.

تمیز کردن معمول با اسید هیدروکلریک رقیق (5-10٪) رسوبات قلع را از سطح کوارتز حل می کند. محلول تمیز کننده در دمای محیط به کوارتز آسیب نمی رساند. دیوار ضخیم یا نازک، یک چرخه تمیز کردن هفتگی یا ماهانه می تواند عمر بخاری را برای مدت نامحدودی افزایش دهد.

جریمه حرارتی افزایش ضخامت دیوار در محلول های کلرید قلع

هدایت حرارتی محلول های کلرید قلع در 30 گرم در لیتر و 70 درجه حدود 0.55-0.60 W/(m·K) است که نزدیک به آب است. برای دیوار 1.5 میلی متری، R_cond=0.00109; برای دیوار 3.0 میلی‌متری، R_cond=0.00217. h=800 W/(m2.K)، R_boundary=0.00125 U از 427 به 292 W/(m2.K) کاهش می‌یابد، کاهش 32 درصدی. بهره وری انرژی به نفع دیوارهای نازک است، اما تجمع رسوبات اغلب به دیواره های ضخیم تر برای اطمینان از استحکام مکانیکی نیاز دارد.

ماتریس برای انتخاب ضخامت دیوار غلاف کوارتز برای سرویس داغ SnCl2 - سناریو-بر اساس

پارامترهای عملیاتی و سناریوی کاربردی ضخامت دیوار توصیه شده دلیل اصلی با معاوضه های کمی-
حمام حساس‌سازی (30 گرم در لیتر SnCl2، 20 میلی‌لیتر در لیتر HCl، 70 درجه، مداوم، تمیز کردن هفتگی) 2.0 - 2.5 میلی‌متر، شعله- پرداخت شده، درجه استاندارد رسوب متوسط ​​قلع. دیوار ضخیم تر از تنش حرارتی ناشی از نقاط داغ رسوب جلوگیری می کند. چسبندگی کمتر با شعله-براق. U ~ 380 W/(m2·K)
آنتی اکسیدان اکسیداسیون را به تاخیر می اندازد. حساسیت نیکل بدون الکترود (50 گرم در لیتر SnCl 2، 80 درجه، آنتی اکسیدان اضافه شده) 2.0 میلی متر، به عنوان{5}}کشش نرخ سپرده پایین. دیوار کم برای صرفه جویی در انرژی. U ≈ 420 W/m2/K.
محلول قلع (II) با دمای بالا (90 درجه، هر) 2.5 - 3.0 میلی متر، محافظ بخار اکسیداسیون، سریع. نیاز به تمیز کردن مکرر دارد. محافظ بخار تجمع منیسک را به حداقل می رساند.
Bath with inadequate HCl (pH >2) 2.5 میلی متر، pH را به 2 حمله قلیایی در خطر کوارتز تنظیم کنید. دیوار ضخیم باعث خوردگی می شود. pH را تنظیم کنید<1.5.
تغییرات طراحی اضافی: اکسیداسیون Sn2+ با افزودن اسید اسکوربیک، هیپوفسفیت به عنوان آنتی اکسیدان به تاخیر می افتد. اکسیژن محلول با پاشش نیتروژن حذف می شود. تمیز کردن دوره ای با 10% HCl رسوبات قلع را حل می کند. حفظ اسیدیته بالا (pH<1.5) prevents alkaline attack. A polished surface reduces deposit adhesion.