Кратко: потемнение и деградация пластика при хранении концентрированной серной кислоты ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ вызваны кислотным и окислительным разложением полимера (кислотно-катализируемая гидролитическая деструкция, сульфонация, дегидратация/обугливание, окисление присадок), чаще усугубляемым температурой и примесями. Ниже — причины и практические рекомендации по выбору материала.
Причины химической деградации (кратко, с примерами)
- Кислотно-катализируемая гидролизная расщепка эфиров/ацеталей/амидов:
- пример для полиэфиров (PET): $[-\mathrm{COO}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-]+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{H}}^{+}}{}\mathrm{HO}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{OH}+\mathrm{HOOC}-...$. Разрушение становится видимым как помутнение/хрупкость.
- Сульфонация ароматических полимеров (введение $-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$‑групп) — окрашивание и хрупкость:
- пример: $\mathrm{Ar}-\mathrm{H}+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3/{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{Ar}-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$.
- Дегидратация и «обугливание» органики (концентрированная ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ как сильный дегидрататор) — образование сопряжённых ненасыщенных фрагментов и углеродистых остатков → тёмная окраска.
- Протоно-катионная форма цепи у полиолефинов → разрывы цепей, окисление и образование хромофорных групп (потемнение).
- Окисление и разложение стабилизаторов, пластификаторов и пигментов с образованием тёмных продуктов.
- Катализ со стороны примесей (металлы, пероксиды, нитраты/нитрозосодержащие примеси) — ускоряют окисление/обугливание.
Как выбирать материал (практично)
1. Оцените параметры процесса: концентрация ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ (например $\ge 90\%$ — «концентрированная»), температура (например $\sim 20{}^{\circ }\mathrm{C}$ vs повышенная), наличие примесей/окислителей, механическая нагрузка, долговременное хранение.
2. Консервативные рекомендации по материалам:
- Фторполимеры: PTFE, PFA, FEP — наилучшая химстойкость к концентрированной ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ (включая $\approx 98\%$) при комнатной и многих повышенных температурах — предпочтительный выбор для ёмкостей и прокладок.
- PVDF — хорошая стойкость к серной кислоте при комнатной температуре, но для очень концентрированной и/или горячей кислоты проверить характеристики производителя.
- HDPE / PP — допустимы для разбавленных и умеренно концентрированных растворов при комнатной температуре (консервативно: для приближений использовать материалы при концентрациях $\le 60-70\%$ и невысоких температурах); при $\ge 90\%$ и/или повышенной температуре риск деградации велик.
- Стекло (стекло-облицовка) и стеклоэмаль на стали — хорошие варианты для концентрированной кислоты при хранении; также используются титан/тантал/некоторые никель‑молибденовые сплавы (Hastelloy) для промышленных ёмкостей (выбирать по таблицам коррозионной стойкости).
3. Учитывайте добавки и качество пластика: используйте химически стойкие, чистые, без пластификаторов марки; окрашенный пластик или с наполнителями чаще темнеет.
4. Практические шаги перед выбором/покупкой:
- проверить таблицы химстойкости производителя и сертификаты для конкретной концентрации/температуры;
- выполнить лабораторный «soak‑test» (пропитать образец материала в той же кислоте при рабочих условиях в течение запланированного времени);
- предусмотреть вторичную ёмкость/контеймент и вентиляцию; избегать контакта с металлом/оксидами, контролировать температуру.
5. Если уже наблюдается потемнение и деградация — немедленно переместить кислоту в проверенную ёмкость (фторполимер/стекло‑облицовку), осмотреть остаток на возможную контаминацию и заменить повреждённую тару.
Короткое практическое заключение
- Для хранения концентрированной серной кислоты ($\ge 90\%$) при нормальных и особенно при повышенных температурах выбирайте фторполимеры (PTFE/PFA/FEP) или инертные металл/стекло‑решения. Для разбавленных растворов при комнатной температуре возможны HDPE/PP, но проверяйте по таблицам и делайте тесты.