FFKM perfluoroelastomér O-rings sú drahé nielen preto, lebo sú „vyššej kvality gumou“, ale aj preto, lebo na extrémnom konci prevádzkového rozsahu súčasne riešia tri problémy, ktoré bežné tesniace materiály zároveň ťažko riešia: vysokú odolnosť voči chemikáliám, vysokú teplotnú odolnosť a nízku extrahovateľnosť. Pre zákazníkov v polovodičovom priemysle, pri aplikáciách s vysokou koróziou, v petrochemickom priemysle a pri vysoko kvalitných uzáveroch nemá FFKM hodnotu samotným O-ring ale znížené úniky, znížené kontaminácie, znížené výpadky, znížené odpadové straty a bezpečnosť.

1. Čo je FFKM: Chemicky takmer neaktívny ako PTFE, ale zároveň zachováva pružnosť gumy

FFKM je perfluoroelastomér – úplne fluorovaný elastomér / úplne fluorovaná guma. Základnou myšlienkou je „úplné fluorovanie“: vodíkové atómy v molekulárnom reťazci polyméru sú nahradené atómami fluóru, čím vzniká vysokej úrovne fluorovaný elastomér. Táto štrukturálna zmena významne zvyšuje chemickú a tepelnú stabilitu, čo materiálu poskytuje chemickú neaktívnosť blízku PTFE, pričom si stále zachováva gumovú pružnosť.

Medzi typickými úplne fluorovanými systémami sa FFKM môže skladať z monomérov, ako je tetrafluoretylén (TFE) a perfluormetylvinyletér (PMVE). Popisy súvisiacich perfluoroelastomérových materiálov tiež zdôrazňujú ich úplne fluorovanú štruktúru a odolnosť voči korózii, tepelnej odolnosti, nízkemu výdajovaniu plynov a iným charakteristikám, ktoré táto štruktúra poskytuje.

To znamená, že rozdiel medzi FFKM a bežným fluoroelastomérom FKM nie je tak jednoduchý, ako „vysokokvalitná verzia toho istého materiálu.“ FKM je vysokovýkonný fluoroelastomér, avšak FFKM dosahuje extrémne vysoký stupeň fluorovania, chemickú neaktívnosť a stabilitu pri vysokých teplotách. Porovnania materiálov uvádzajú, že FFKM má výrazne vyšší obsah fluóru ako štandardný FKM, môže fungovať pri teplote približne 325 °C a jeho chemická kompatibilita sa blíži kompatibilite bežného PTFE.

2. Základná hodnota FFKM: výborná odolnosť voči korózii, odolnosť voči vysokým teplotám, nízky obsah extrahovateľných látok

2.1 Výborná odolnosť voči korózii: zachováva tesnenie pri kontakte so silnými kyselinami, aminmi, rozpúšťadlami a silne oxidačnými látkami

V chemickom, polovodičovom mokrom procese, petrochemickom priemysle, ťažbe ropy a zemného plynu a iných oblastiach sa tesniace prvky často stretávajú nielen s jedným prostredím, ale s komplexným prostredím, v ktorom pôsobia súčasne vysoká teplota, tlak, rozpúšťadlá, kyseliny a zásady, oxidačné prostredia a vedľajšie produkty procesov. Bežné materiály ako NBR, EPDM a FKM sa dobre osvedčujú voči jednotlivým prostrediam, avšak v prípade zmiešaných médií alebo vysokoteplotných silno oxidačných prostredí dochádza často k nafukovaniu, ztvrdnutiu, praskaniu a zrýchlenému stlačeniu.

Hodnota FFKM spočíva v značne rozšírenom okne chemickej odolnosti. O-krúžky z FFKM sa popisujú ako materiály s najvyšším pracovným teplotným rozsahom, najnižšími úrovňami výparovania a extrahovateľných látok medzi tesniacimi materiálmi a širokou chemickou odolnosťou, čo ich robí vhodnými pre kľúčové aplikácie, ako je výroba polovodičových čipov a chemické zariadenia.

Pre zákazníkov to znamená: FFKM nie je určený na náhradu všetkých gumových materiálov, ale poskytuje výrazne väčšiu bezpečnostnú rezervu v prípadoch, keď je chemická kompatibilita iných materiálov neistá alebo keď je cena zlyhania veľmi vysoká.

2.2 Odolnosť voči vysokým teplotám: Udržiava pružnosť, odolnosť proti deformácii po stlačení a tesniacu silu pri vysokých teplotách

Podstatou O-krúžku nie je „gumový krúžok ležiaci v drážke“, ale skôr schopnosť pružne sa obnovovať a tak nepretržite vyvíjať tesniacu silu. Pri vysokých teplotách sa molekulové reťazce gumy rýchlejšie starnú, prepojená štruktúra sa rozpadá a deformácia po stlačení sa zhoršuje. Ak sa tesniaca sila zníži, tesnenie môže stratiť spoľahlivosť, aj keď vizuálne stále vyzerá neporušené.

Vysokoteplotná odolnosť FFKM je výrazne vyššia ako u väčšiny bežných elastomérov. Niektoré výrobky FFKM sa uvádzajú ako majúce najvyššiu odolnosť voči deformácii po stlačení a najlepší vysokoteplotný výkon medzi bežnými elastomérami, pričom maximálna prevádzková teplota dosahuje 320 °C / 608 °F. Iné materiály FFKM môžu pracovať nepretržite v širokom rozsahu teplôt od –40 °C do +325 °C, pričom presná hodnota závisí od ich zloženia.

Preto „vysokoteplotná odolnosť“ FFKM neznamená len krátkodobé odolanie proti roztaveniu materiálu, ale schopnosť udržiavať použiteľnú tesniacu silu za zložitých prevádzkových podmienok – vysoká teplota, silná korózia a dlhodobé stlačenie.

2.3 Nízka extrahovateľnosť, nízke výplynovanie, nízky obsah častíc: skutočný dôvod, prečo zákazníci z polovodičového priemyslu platia za FFKM

Polovodičový priemysel využíva FFKM nielen pre jeho odolnosť voči korózii a vysokým teplotám – hlavne preto, lebo môže znížiť riziko kontaminácie. Výroba kremíkových platní je extrémne citlivá na kovové ióny, častice, celkový organický uhlík (TOC), organické летné látky a úniky technologických plynov. Extrahovateľné látky, výplyn (outgassing) alebo úniky plynov z jediného tesniaceho bodu môžu ovplyvniť nielen jedno tesnenie, ale aj čistotu kremíkových platní, výťažok (yield) a dostupnosť (uptime) a údržbové cykly vybavenia.

Údaje o FFKM v súvislosti s polovodičmi ukazujú, že FFKM sa používa v zariadeniach na spracovanie kremíkových platní preto, lebo jeho chemická odolnosť a stabilita pri vysokých teplotách okolo 327 °C sú vynikajúce, a preto, lebo dobre formulovaný FFKM môže znížiť kontamináciu spôsobenú časticami, výplynom (outgassing) a kovovými iónmi / extrahovateľnými látkami TOC, čím sa znižuje riziko kontaminácie kremíkových platní.

Produkty z FFKM typu Isolast explicitne zdôrazňujú svoju orientáciu na predné polovodičové procesy, ako sú usadzovanie, leptanie, odstraňovanie fotoodporu (ashing/stripping) a implantácia iónov; materiál sa vyznačuje vysokou čistotou, nízkym obsahom častíc, nízkym obsahom kovov, extrémne nízkym obsahom extrahovateľných látok a vyrába sa a balí sa v čistej miestnosti triedy 100 / ISO 5.

V polovodičovom prostredí sa komerčná hodnota FFKM dá teda zhrnúť takto: menej častíc, nižšia kontaminácia komory, menej neplánovaných výpadkov a nižšie riziko odpadu celých šarží.

3. Prečo je FFKM drahé: materiály, formulácia, výrobný proces, overovanie a hodnota náhrady rizík

3.1 Drahé už samotné úplne fluórované materiálové systémy

Základný materiál FFKM je vysokej úrovne fluorovaný monomér a úplne fluorovaný polymérny systém. Úplná fluorácia štruktúry zabezpečuje extrémnu chemickú neaktívnosť a tepelnú stabilitu, čo však znamená, že materiálový systém je zložitejší ako bežne vyrábané gumy. Nie je to univerzálna guma hromadnej výroby, ale materiál v malých sériách s vysokým technologickým obsahom určený pre najvyššie pracovné podmienky.

Tieto typy materiálov sa zvyčajne používajú len vtedy, keď elastomérna pružnosť bežných materiálov nespĺňa požiadavky. Je tiež uznávané, že zmesi FFKM sú zvyčajne drahšie ako náhradné materiály, avšak ich vyššia spoľahlivosť výrazne zníži celkové náklady na vlastníctvo, najmä v prípadoch, keď sú náklady na výpadok veľmi vysoké.

3.2 Drahé, pretože „volá sa rovnako FFKM, ale zloženie je úplne odlišné“

FFKM nie je jediná zložka, ale skupina materiálov. Odolnosť voči plazme v polovodičovom priemysle, odolnosť voči chemikáliám používaným vo vlhkom procese, výrazná odolnosť voči aminom, odolnosť voči párnej sterilizácii, vysokému vákuumu a nízkemu výdazu plynov, odolnosť voči RGD (rychlému rozkladu plynov) v oleji a plyne – každý pracovný režim vyžaduje iný návrh zložky.

Výrobcovia FFKM orientovaní na polovodičový priemysel výslovne uvádzajú: výkon FFKM sa významne mení v závislosti od chemickej zložky a na zníženie kontaminácie kremíkových platní môže byť potrebný špeciálny typ zložky. Produktová rada FFKM pre polovodičový priemysel sa konfiguruje odlišne podľa procesu leptania, typu plazmy, tepelného procesu a kombinácií rôznych procesov, ako sú CMP / ECD / vlhké leptanie.

Preto do ceny vysokokvalitného FFKM vstupuje veľké množstvo „neviditeľného inžinierstva zložiek“:

3.3 Drahé pri čistej výrobe a nízkej kontrole kontaminácie

Logika výroby FFKM pre polovodičový priemysel sa líši od bežných priemyselných O-ringov. Nie je to len o zhode rozmerov, zhode tvrdosti a vizuálnej zhode musia sa tiež kontrolovať zdroje kontaminácie, ako sú častice, kovové ióny, extrakčné látky, čistota obalov a konzistencia šarže.

Tento typ výrobku často vyžaduje špeciálne zmiešanie, formovanie, následné spracovanie, čistenie, pečenie, kontrolu a čisté balenie. V prípade výrobku FFKM typu PureFab sa uvádza, že jeho tesnenia sa vyrábajú a balia v čistej miestnosti triedy 100 / ISO 5, aby sa zabezpečila čistota výrobku.

Táto časť nákladov je pre konečného zákazníka primeraná: čo si zakúpi zákazník polovodičov, nie je „jedno tesniace krúžkové tesnenie“, ale nízkokontaminujúci tesniaci prvok, ktorý môže vstúpiť do kritického technologického priestoru.

3.4 Drahý systém overovania: nie len schopnosť výroby, ale aj schopnosť dokázať spoľahlivosť

Vysokokvalitné FFKM tesniace krúžkové tesnenia sa často musia podrobiť overovaniu prostredníctvom dlhodobého stlačenia, chemického namáčania, starnutia, odplyňovania, nízkych extrahovateľných látok, odolnosti voči plazmovému vystaveniu a rozmerného stability, ako aj iných skúšok. V aplikáciách v petrochemickom priemysle a v ťažbe ropy a zemného plynu sa tiež vyžaduje skúška rýchleho rozkladu plynu (RGD).

Ako príklad možno uviesť Kalrez 0090, ktorý je popisovaný ako materiál používaný v hĺbkových a podmorských zariadeniach v petrochemickom priemysle, napríklad v guľových kohútikoch, iných kohútikoch a tesniacich zátkach; jeho tesniace krúžkové tesnenia splnili prísne normy, vrátane tretieho strany testovania NORSOK M-710, bez akýchkoľvek vnútorných trhlin, dutín alebo puchýr.

Toto ukazuje, že veľmi významnú časť nákladov na vysoko kvalitné FFKM tvorí: overiteľný materiálový výkon, sledovateľnosť šarží a riaditeľné riziko zlyhania.

4. Analýza odvetvových scenárov

4.1 Polovodičový priemysel: Kľúčová hodnota FFKM je „odolnosť voči korózii + odolnosť voči plazme + nízka kontaminácia“

O-krúžky vo vnútri polovodičového vybavenia sa môžu používať v reakčných komorách, ventiloch, štrbinových ventiloch, vstupoch/výstupoch pre plyn, krytoch komôr, oknách na detekciu konca procesu, rozhraniach pod výtlakom, CMP, ECD, mokrých čističkách, stanicách CMP/ECD, plazmových a ALD staniciach a iných pozíciách. Tieto tesniace komponenty musia odolať vysokým teplotám, výtlaku, plazme, korozívnym plynom a mokrým chemikáliám, zároveň však nesmú byť zdrojom kontaminácie.

Keď si zákazníci z oblasti polovodičov vyberajú FFKM, zvyčajne to nie je preto, lebo FKM úplne nedokáže tesniť, ale preto, lebo FFKM je v nasledujúcich aspektoch stabilnejšie:

Nízky obsah extrahovateľných látok: zníženie množstva kovových iónov, celkového organického uhlíka (TOC) a extrahovateľných látok, ktoré sa dostávajú do procesného média alebo komory.

Nízke výdajovanie plynov: zníži prchavé kontaminácie počas procesov pri nízkom výtlaku a vysokých teplotách.

Nízky obsah častíc: zníži riziko uvoľňovania častíc spôsobené degradáciou tesniacej plochy v plazmovom prostredí.

Odolnosť voči plazme: vhodné pre leptanie, popolovanie, vzdialené plazmové čistenie a podobné reaktívne prostredia.

Dlhšia údržbová perióda: zníži frekvenciu otvárania komory, výmeny, čistenia, kalibrácie a opätovnej verifikácie.

Popisy FFKM materiálu typu PureFab explicitne zahŕňajú front-end procesy, ako sú depozícia, leptanie, popolovanie/odstraňovanie a ALD, a zdôrazňujú vedúcu úlohu nízkeho obsahu častíc, extrémne nízkeho obsahu extrahovateľných látok a kontroly kovových kontaminácií pri predĺžení údržbových intervalov a zvyšovaní výtvarnosti.

Odporúčaný spôsob formulovania tohto tvrdenia pre bielu knihu o polovodičoch: hodnota O-krúžku z FFKM nie je obmedzená len na tesnenie – spočíva tiež v tom, že pomáha kľúčovým procesom znížiť zdroje kontaminácie, predĺžiť intervaly údržby zariadení a zvýšiť stabilitu v prostredí vysokých teplôt, výdavku, plazmy a silne korozívnych chemikálií.

4.2 Chemický priemysel: Kľúčová hodnota FFKM je „menej výpadkov, menej únikov, menej nesprávnych posúdení chemického kompatibility“

Najtypickejším problémom v chemických aplikáciách je zložité prostredie: silné kyseliny, silné zásady, aminy, ketóny, estery, aldehydy, rozpúšťadlá, oxidačné prostriedky, para a horúca voda, ako aj ich zmesi. Mnoho porúch tesnenia nie je spôsobených tým, že materiál úplne neznáša konkrétnu látku, ale skôr tým, že súčasné pôsobenie koncentrácie + zmesi médií + tlakového napätia + času zosilňuje starnutie materiálu.

Hodnota FFKM v chemickom priemysle zahŕňa:

• Zníženie rizika nekompatibility materiálov spôsobené zmenou média.
• Zníženie únikov v čerpadlách, ventiloch, reaktoroch, prírubách a mechanických tesneniach.
• Zníženie neplánovaných výpadkov a rozoberania.
• Udržiavanie spoľahlivej životnosti tesnení v prostredí silných korozívnych látok za vysokých teplôt.
• Zníženie environmentálneho rizika spôsobeného únikmi nebezpečných chemikálií.

Výslovne sa uvádza, že materiál FFKM je vhodný pre najnáročnejšie aplikácie, vrátane polovodičových procesov, chemického spracovania a spracovania ropy a zemného plynu, a môže sa používať ako tesniaci materiál pre zariadenia v chemickom a petrochemickom priemysle vystavené silnej korózii, aminom a vysokým teplotám.

Odporúčaný spôsob formulácie tohto tvrdenia pre chemickú bielu knihu: v prostredí silnej korózie, vysokých teplôt a zmiešaných médií poskytujú O-krúžky z materiálu FFKM širší rozsah chemickej kompatibility a stabilnejšiu tesniacu silu, čím pomáhajú zákazníkom znížiť riziko únikov materiálov, neplánované výpadky a incidenty súvisiace s únikmi.

4.3 Olej a plyn a vysokokvalitné uzatváracie klapky: Základná hodnota FFKM je „spoľahlivosť pri vysokom tlaku, vysokých teplotách, korózii a rýchlej dekompresii“

Scenáre s olejom a plynom a vysokokvalitnými klapkami sa ešte viac zameriavajú na bezpečnostnú rezervu. Tesniace materiály môžu byť vystavené H₂S, CO₂, aminom, horúcej ropnej náplni, parám, chemikáliám používaným v hlbinách, vysokotlakému plynu a cyklickým zmenám teploty. Najmä rýchla dekompresia za podmienok vysokotlakého plynu môže spôsobiť, že plyn expandujúci vo vnútri elastoméru vyvolá vnútorné praskliny, puchýre alebo explózivnú dekompresiu, čo sa označuje ako problémy RGD / explózivná dekompresia.

Údaje o Kalrez 0090 ukazujú, že tento FFKM sa používa v hlbinnom a podmorskom vybavení pre ťažbu oleja a plynu, vrátane guľových klapiek, iných klapiek, tesniacich zátky a hlbinných nástrojov; okrem odolnosti voči RGD má tiež odolnosť voči viac ako 1 800 rôznym chemikáliám a dokáže udržať svoje výkonové vlastnosti v prostredí s vysokým tlakom a vysokou teplotou pri ťažbe oleja a plynu.

Spomína sa tiež, že zvýšené získavanie ropy (EOR) kladie vyššie požiadavky na tesniace materiály z hľadiska tlaku a teploty; po intenzifikovanej tepelnej rekuperácii a chemickom vstrekovaní sa materiály iné ako FFKM často nezvládajú splniť požadované výkonnostné parametre; príslušné materiály FFKM sa používajú v náročných prostrediach páry a korozívnych vrtných prostredí pri vysokých teplotách.

Odporúčaný spôsob formulovania tohto tvrdenia pre bielu knihu o ropa a plyn a o vysoko kvalitných uzáveroch: v scenároch vysokého tlaku, vysokých teplôt, korozívnych médií a rýchlej dekomprezie plynu poskytujú O-krúžky z materiálu FFKM tesniaci výkon, ktorý ide ďaleko za samotné tesnenie – sú kľúčovou zárukou spoľahlivosti uzáverov, čerpadiel a podzemných nástrojov.

5. Rozdiel v pozícionovaní materiálov FFKM, FKM, EPDM a PTFE

Zjednodušené pravidlo palca: ak ide len o obyčajnú koróziu, obyčajnú teplotu a obyčajné riziko úniku, môže byť FKM postačujúci; ak však ide o silnú koróziu, vysokú teplotu, vákuum, nízku kontamináciu alebo scenár, pri ktorom sú náklady na výpadok veľmi vysoké, potom sa hodnota FFKM skutočne prejaví.

6. Kedy je nutné zvážiť použitie FFKM

Odporúča sa uviesť FFKM ako uprednostňovaný alebo kľúčový materiál na overenie v nasledujúcich prípadoch:

Silná chemická korózia: silné kyseliny, silné zásady, aminy, silné oxidačné prostriedky, zmiešané rozpúšťadlá, médiá s neznámym zložením.

Teplotná rezerva: dlhodobá prevádzková teplota sa blíži hranici bezpečnosti FKM alebo sa vyskytujú výskyty vysokoteplotných špičiek alebo tepelného cyklovania.

Kontaminácia nie je prípustná: polovodiče, vákuum, chemikálie vysokého stupňa čistoty, presné výrobné procesy.

Náklady na výpadok sú vysoké: nahrádzanie tesnenia vyžaduje vypnutie, otvorenie zariadenia, čistenie a opätovné overenie.

Vysoké riziko úniku: nebezpečné chemikálie, olej a plyn v systémoch vysokého tlaku, kľúčové ventily.

Zložité režimy poruchy materiálu: súčasne sa vyskytujú nádor, ztvrdnutie, praskliny, kompresná deformácia a extrahovateľné kontaminanty.

Potrebujú sa dlhšie údržbové cykly: nezameriava sa na najnižšiu počiatočnú nákupnú cenu, ale na najnižšie celkové náklady.

7. Hranica výberu: FFKM je veľmi výkonný, avšak nemôže byť „jedna formula pre všetko“

Vo white paperoch by sa mala formulácia FFKM ako „univerzálny materiál“ vyhýbať. Profesionálnejší spôsob vyjadrenia je:

FFKM je vysokokvalitná platforma tesniacich materiálov, avšak konkrétny zložkový vzorec sa musí vybrať podľa prevádzkových podmienok.

Kľúčové premenné pre výber sú:

• Typ média: kyseliny, zásady, aminy, rozpúšťadlá, oxidačné prostriedky, para, plazma, chemikálie na báze oleja.
• Teplota: kontinuálna teplota, maximálna teplota, tepelné cyklovania.
• Tlak: statické tesnenie, dynamické tesnenie, vysokotlakový plyn, riziko RGD.
• Čistota: či je vyžadované nízke obsahy kovov, nízky obsah celkového organického uhlíka (TOC) a nízky obsah častíc, tesnenie pre strojové spojenie alebo tesnenie pre prírubové spojenie.
• Pohybový stav: statické tesnenie, vratný pohyb, rotačný pohyb, časté otváranie/zatváranie ventilov.
• Certifikácia a sledovateľnosť: či je vyžadovaná certifikácia NORSOK, čisté balenie pre polovodičový priemysel alebo sledovateľnosť šarží.

Toto platí najmä v polovodičových aplikáciách, kde plazma postupne spotrebuje povrch materiálu, čo spôsobuje degradáciu povrchu a riziko tvorby častíc; preto je potrebné vo výrobných procesoch ako leptanie, usadzovanie, odstraňovanie fotoodolnej vrstvy (ashing), mokré spracovanie a iné vybrať špeciálne triedy materiálov. Dlhodobé vystavenie plazme spotrebuje akýkoľvek materiál, preto ideálna tesniaca súčiastka musí súčasne odolať degradácii povrchu a zachovať tesniacu funkciu.

8. Základné výhody pre zákazníkov

Pre zákazníkov z oblasti polovodičov

Základnou výhodou O-krúžkov z FFKM je tesnenie s nízkym stupňom kontaminácie. Pomáha kontrolovať tvorbu častíc, výdaj plynov (outgassing), kovové ióny a extrahovateľné látky a je vhodná pre kľúčové aplikácie, ako sú leptanie, usadzovanie, atómové vrstvenie (ALD), odstraňovanie fotoodolnej vrstvy (ashing), mokré čistenie, chemicko-mechanické brúsenie (CMP), elektrochemické depozície (ECD), vysoké vákuum a vysokoteplotné procesy. To, čo zákazník nakupuje, je stabilita výťažku, čistota komory a interval údržby.

Pre zákazníkov z chemického priemyslu

Jadrovná hodnota materiálu FFKM je extrémna chemická kompatibilita. V zmesi prostredí obsahujúcich silné kyseliny, silné zásady, aminy, rozpúšťadlá, paru a vysokoteplotné prostredia materiál FFKM zníži opuchnutie, ztvrdnutie, praskanie a úniky, čím sa zníži výpadkový čas a bezpečnostné riziko. Zákazník nakupuje neprerušovanú výrobnú schopnosť a bezpečnosť procesu.

Pre zákazníkov z odvetvia ťažby ropy a zemného plynu a vysokokvalitných ventilov

Jadrovná hodnota materiálu FFKM je spoľahlivé tesnenie v prostredí s vysokým tlakom, vysokou teplotou a korozívnymi látkami. V prostredí vysokoteplotnej pary, kyslých plynov, CO₂, H₂S, amínových kvapalín, chemikálií používaných pri ťažbe a rizika rýchlej dekomprezie plynu špeciálne formulovaný materiál FFKM výrazne zvyšuje spoľahlivosť kľúčových ventilov, čerpadiel a podzemných nástrojov. Zákazník nakupuje kontrolu rizík a životnosť zariadení.