引言

工業(yè)的發(fā)展是支撐國家戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素,材料工業(yè)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著科技與經(jīng)濟的快速發(fā)展,單一的材料性能已無法滿足生產(chǎn)和社會發(fā)展的需求,發(fā)展性能優(yōu)異型材料產(chǎn)業(yè)已成為現(xiàn)代工業(yè)的亮點。樹脂基復(fù)合材料目前發(fā)展最為迅速,玻璃鋼是其中產(chǎn)銷量最大、應(yīng)用范圍最廣的材料,現(xiàn)已在航空航天、石油化工、交通運輸、建筑工程、電氣機械和體育醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。玻璃鋼復(fù)合材料主要是在合成樹脂的基底上通過玻璃纖維獲得的增強塑料,玻璃鋼自身材質(zhì)重量輕、強度高、不導電、可塑性好,可以拉擠成各種造型,可替代鋼材用于制造潛艇、汽車外殼或機械零件等,同時具備耐高溫、耐腐蝕、輸送能耗低等優(yōu)點。但目前國內(nèi)玻璃鋼復(fù)合材料產(chǎn)品的研究開發(fā)還處于起步階段,尤其是在防腐性、耐久性等使用性能方面的研究還需進一步開展。通過將玻璃鋼復(fù)合材料性能與工業(yè)需求相結(jié)合,研究開發(fā)新型耐腐蝕玻璃鋼材料,延長材料和設(shè)備的使用壽命,對加快和促進玻璃鋼的應(yīng)用具有著重要的戰(zhàn)略意義。

1玻璃鋼復(fù)合材料

1.1玻璃鋼復(fù)合材料現(xiàn)狀

進入21世紀以來,隨著全球經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展,復(fù)合材料的市場快速增長,其中產(chǎn)銷量最大的玻璃鋼也取得了長足的發(fā)展。玻璃鋼復(fù)合材料具有耐腐蝕、耐高溫、輕質(zhì)、可塑性強等特點,這些特點讓它在工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,成為了影響傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。玻璃鋼復(fù)合材料以其特有的性質(zhì)、豐富的原料基礎(chǔ)、不斷提升的技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)水平,逐漸成為了復(fù)合材料中發(fā)展最為迅速的一種。目前,全球玻璃鋼總產(chǎn)能約600萬t,而且種類繁多,據(jù)統(tǒng)計,世界各國開發(fā)的玻璃鋼產(chǎn)品的種類已達4萬種左右。其中我國作為世界第一玻璃鋼生產(chǎn)大國,產(chǎn)能約占全球總產(chǎn)能的60%。雖然目前我國從事玻璃鋼產(chǎn)業(yè)的公司很多,但市場混亂、不易管理。同時,玻璃鋼自身作為脆性材料,其彈性模量較低,剪切強度低,長期耐溫性差,存在老化現(xiàn)象,在玻璃鋼制作成品的過程中,也出現(xiàn)了大量的邊角廢料,傳統(tǒng)的焚燒等處理方法會造成二次污染。所以,關(guān)于玻璃鋼復(fù)合材料的研究還需進一步深入。

1.2玻璃鋼復(fù)合材料成分和性能特點

玻璃鋼復(fù)合材料硬度很高,但比鋼材等其他材料輕得多,稱為纖維強化塑料,是由玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體組成的,其主要原材料是不飽和高分子聚脂樹脂和玻璃纖維,這兩種材料都具有較好的耐腐蝕性能,能有效防止酸類、堿類、重金屬離子等腐蝕性化學液體的侵蝕,這也同樣賦予了玻璃鋼復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕性能。

玻璃纖維的主要化學成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。玻璃鋼復(fù)合材料具有類似玻璃纖維的化學性質(zhì),即纖維增強復(fù)合材料熱導率低,是優(yōu)良的絕熱材料,即使是在瞬時超高溫度下,依然能夠保持較好的性能,是目前工業(yè)中理想的熱防護和耐燒蝕材料,在航空航天等極端條件下得到了廣泛的應(yīng)用。例如作為飛機和航天器等高科技產(chǎn)品的主要保護材料,玻璃鋼復(fù)合材料能承受瞬時2000℃以上高溫氣流的沖刷,保持自身形態(tài)不變和內(nèi)部器件完好。除了優(yōu)異的防護能力外,玻璃鋼復(fù)合材料中含有大量的硅酸鹽,其密度不及鋼材的1/4,但強度比鋼材還要高,常用做一些輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)件。由于其拉伸性能優(yōu)異、相對密度較小、強度媲美高級合金鋼,因此玻璃鋼復(fù)合材料同樣廣泛應(yīng)用在需要減輕自重的產(chǎn)品之中,例如航空航天、汽車零件和軍用產(chǎn)品等。玻璃鋼制品中含有的不飽和聚脂樹脂,在材料中起到傳遞應(yīng)力和支撐固定纖維的作用,可根據(jù)制品結(jié)構(gòu)特點在關(guān)鍵受力點進行局部增強,這就使得玻璃鋼材料可以隨意拉伸成不同的形狀,成為美觀的藝術(shù)品等。

2玻璃鋼復(fù)合材料的防腐性能

2.1樹脂分類應(yīng)用

組成玻璃鋼的樹脂原材料的不同,直接決定著玻璃鋼所表現(xiàn)出的物理化學性質(zhì),不同的樹脂會使得成型玻璃鋼的防腐性能和原理也略有差異,所以針對不同領(lǐng)域的防腐要求,樹脂材料的選擇也十分重要。玻璃鋼復(fù)合材料根據(jù)所使用樹脂的熱成型可以分為兩大類:熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。熱固性樹脂是最早大規(guī)模應(yīng)用于玻璃鋼復(fù)合材料的基體樹脂,也是目前工業(yè)上使用最為廣泛的材料,主要源于其優(yōu)于熱塑性塑料的耐熱性能及可設(shè)計性,研究的重點集中在樹脂的合成與改性、制品的成型工藝方面。

玻璃鋼復(fù)合材料樹脂結(jié)構(gòu)成分的不同也會導致較大的差異,組成樹脂的種類主要包括酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧改性乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂等。環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂,主要應(yīng)用于耐腐蝕、高強度場景,如航空、航天領(lǐng)域等。通用領(lǐng)域用的最多的是不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂,這類樹脂在常溫下即可成型,操作比較方便,同時性價比較高,所以被廣泛應(yīng)用。乙烯基樹脂在防腐等領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛,191是常用的通用性樹脂,屬于鄰笨型不飽和聚酯樹脂,機械強度、耐腐蝕性能和耐高溫性能一般,但因其價格相對低廉,所以在工業(yè)及生活方面被大量采用。

2.2防腐性能原理

玻璃鋼本身良好的化學穩(wěn)定性,使其在常見的水氧、性、堿性和有機溶劑等腐蝕環(huán)境中能長期保持穩(wěn)定,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。即使玻璃鋼復(fù)合材料不需像金屬材料管道那樣采用嚴格的內(nèi)外涂層或陰極保護,在使用期限內(nèi)基本不需保護,但也存在一定程度的腐蝕和老化問題。玻璃鋼的腐蝕根據(jù)原理的不同可以分為兩類:物理腐蝕和化學腐蝕。物理腐蝕主要是由于環(huán)境中極性分子與玻璃鋼中的不飽和聚酯樹脂中存在的翔基、羥基等極性基團發(fā)生相互反應(yīng)而引發(fā)材料的溶脹,產(chǎn)生腐蝕破壞。玻璃鋼的化學腐蝕主要是指高分子鏈發(fā)生了斷裂和破壞,主要原因是樹脂中的不飽和雙鍵等極性鍵發(fā)生氧化水解、皂化等反應(yīng),從而破壞大分子的結(jié)構(gòu),出現(xiàn)降解破損等問題,其耐腐蝕性能取決于聚酯的結(jié)構(gòu)、酯基濃度、雙鍵含量及位置等因素。

2.3防腐性能的應(yīng)用

除了利用玻璃鋼自身防腐性能制備管道進行防腐以外,實際生產(chǎn)中也存在大量利用玻璃鋼基涂層對管道進行防腐的應(yīng)用,其主要原理是屏蔽作用和鈍化作用。

屏蔽作用是指利用玻璃鋼基樹脂涂層涂敷在被保護的基底上,通過固化劑使玻璃鋼樹脂與被保護基底的活性點發(fā)生化學反應(yīng),利用化學鍵間的相互作用達到涂層附著的效果,使基底與腐蝕環(huán)境隔絕開,防止氧氣、水分或腐蝕離子到達基底表面產(chǎn)生腐蝕。

鈍化作用是指可采用玻璃鋼涂層,通過特定的反應(yīng)條件在涂層/基材界面上形成一層致密的反應(yīng)氧化層,鈍化基底,達到防腐效果。例如工業(yè)中常見的利用碳纖維布與混凝土混合實現(xiàn)材料覆蓋,通過碳纖維布和混凝土本身的抗化學腐蝕性達到抗腐蝕的效果。

3玻璃鋼復(fù)合防腐材料開發(fā)

3.1聚偏氟乙烯樹脂材料

聚偏氟乙烯樹脂材料(簡稱PVDF)是指偏氟乙烯與其他含氟乙烯基單體的共聚物,具有較好的耐磨、耐化學腐蝕、耐高溫色變和耐氧化性能,是目前工業(yè)中使用量極大的保護涂料和隔膜材料,在涂料行業(yè)、石油化工、電子行業(yè)等領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異。由于具有較好的化學、物理性能和加工性能,PVDF也廣泛使用于設(shè)備材料、機械配件、建筑涂料、汽車裝飾、家電外殼等方面。另外,PVDF樹脂還可以與其他樹脂共混改性,兼容性較好,例如PVDF與ABS樹脂共混得到的復(fù)合材料,具有特異的物理、化學性能,不但有很強的耐磨性和抗沖擊性能,而且在極端嚴酷與惡劣的環(huán)境中有很高的抗褪色性與抗紫外線性能。PVDF樹脂的多種特性,讓它與纖維增強復(fù)合材料(FRP)聯(lián)系在一起,使玻璃鋼復(fù)合材料耐高溫性和耐腐蝕性更強,成為了新型耐腐蝕復(fù)合材料。

3.2一種PVDF-玻璃鋼基防腐管道的設(shè)計

基于PVDF-玻璃鋼的復(fù)合性能,本文研究設(shè)計了一種PVDF-玻璃鋼基防腐管道,如圖1所示,研究設(shè)計三層防護:管道表層、管道內(nèi)層、管道里層。三層防護主要針對脫硫煙氣的高溫、酸堿性、易腐蝕等復(fù)雜處理環(huán)境設(shè)計。

首先基于管道結(jié)構(gòu)的整體要求,采用197樹脂與無堿纖維布結(jié)合,通過手工或機器技術(shù)纏繞組成了位于最外側(cè)的管道表層,這樣既加強了管道的耐高溫、耐酸堿性和適用性,同時也能防止工業(yè)氣體滲漏,延長設(shè)備使用壽命。管道內(nèi)層則使用901乙烯基樹脂和碳化硅混合,通過涂覆技術(shù)附著在無堿纖維布上,以增強管道的耐腐蝕、耐高溫和耐磨性。管道里層采用PVDF樹脂,充分發(fā)揮了PVDF樹脂擁有的優(yōu)良耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性等特點,使管道性能增強,壽命延長?？紤]到管道所運用的環(huán)境不同,還可在管道內(nèi)部加入金屬,基于天然橡膠相對于合成丁基橡膠對于金屬具有更強的粘接力,本設(shè)計利用氯丁基橡膠作為復(fù)合在天然橡膠上的防腐耐磨層,這樣可以最大限度地保護金屬管道不受脫硫煙氣的侵害。

本設(shè)計主要針對脫硫煙氣本身溫度高、酸堿性強的特點,創(chuàng)新性地提出了三元防腐的技術(shù),通過管道外層、里層和內(nèi)層的三層防護,基于防腐性能極佳的材料的組合,做到了管道的物理防腐和化學防腐的結(jié)合:管道內(nèi)外結(jié)合,做到了深度防腐,減輕了管道在使用過程中受到的空氣、水、污染物等多種材料造成的常規(guī)性腐蝕。通過PVDF樹脂和玻璃鋼材料特性的結(jié)合,得到了一種耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕的新型工業(yè)管道。

4結(jié)語

目前大量的工業(yè)材料快速發(fā)展,玻璃鋼復(fù)合材料作為工業(yè)材料中發(fā)展最快的一種材料,它的使用可以結(jié)合不同的環(huán)境要求,通過選用不同的樹脂來滿足需求。玻璃鋼復(fù)合材料因其優(yōu)異的耐腐蝕、耐酸堿性在工業(yè)及生活領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是,在實際生產(chǎn)中,玻璃鋼復(fù)合材料在高溫的工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用,例如在高溫煙氣、廢水等的收集、排放等方面的應(yīng)用仍然受到極大的限制。本文利用玻璃鋼優(yōu)異的防腐性能,結(jié)合聚偏氟乙烯材料的特性,提出了一種三元高溫防腐管道的設(shè)計,以應(yīng)用于復(fù)雜的高溫脫硫煙氣環(huán)境,為玻璃鋼復(fù)合材料的發(fā)展提供了借鑒和參考。玻璃鋼復(fù)合材料作為材料領(lǐng)域的研究熱點,還需科研人員進一步地研究和開發(fā),以實現(xiàn)更好的應(yīng)用。