高防腐型玻璃钢复合管道的设计研究

引言

工业的发展是支撑国家战略的关键因素,材料工业是工业发展的基础。随着科技与经济的快速发展,单一的材料性能已无法满足生产和社会发展的需求,发展性能优异型材料产业已成为现代工业的亮点。树脂基复合材料目前发展最为迅速,玻璃钢是其中产销量最大、应用范围最广的材料,现已在航空航天、石油化工、交通运输、建筑工程、电气机械和体育医疗卫生等领域得到了应用。玻璃钢复合材料主要是在合成树脂的基底上通过玻璃纤维获得的增强塑料,玻璃钢自身材质重量轻、强度高、不导电、可塑性好,可以拉挤成各种造型,可替代钢材用于制造潜艇、汽车外壳或机械零件等,同时具备耐高温、耐腐蚀、输送能耗低等优点。但目前国内玻璃钢复合材料产品的研究开发还处于起步阶段,尤其是在防腐性、耐久性等使用性能方面的研究还需进一步开展。通过将玻璃钢复合材料性能与工业需求相结合,研究开发新型耐腐蚀玻璃钢材料,延长材料和设备的使用寿命,对加快和促进玻璃钢的应用具有着重要的战略意义。

1玻璃钢复合材料

1.1玻璃钢复合材料现状

进入21世纪以来,随着全球经济和科技的不断发展,复合材料的市场快速增长,其中产销量最大的玻璃钢也取得了长足的发展。玻璃钢复合材料具有耐腐蚀、耐高温、轻质、可塑性强等特点,这些特点让它在工业、建筑、交通等领域发挥了重要作用,成为了影响传统工业技术结构发展的关键性因素。玻璃钢复合材料以其特有的性质、丰富的原料基础、不断提升的技术与产品开发水平,逐渐成为了复合材料中发展最为迅速的一种。目前,全球玻璃钢总产能约600万t,而且种类繁多,据统计,世界各国开发的玻璃钢产品的种类已达4万种左右。其中我国作为世界第一玻璃钢生产大国,产能约占全球总产能的60%。虽然目前我国从事玻璃钢产业的公司很多,但市场混乱、不易管理。同时,玻璃钢自身作为脆性材料,其弹性模量较低,剪切强度低,长期耐温性差,存在老化现象,在玻璃钢制作成品的过程中,也出现了大量的边角废料,传统的焚烧等处理方法会造成二次污染。所以,关于玻璃钢复合材料的研究还需进一步深入。

1.2玻璃钢复合材料成分和性能特点

玻璃钢复合材料硬度很高,但比钢材等其他材料轻得多,称为纤维强化塑料,是由玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂、环氧树脂与酚醛树脂基体组成的,其主要原材料是不饱和高分子聚脂树脂和玻璃纤维,这两种材料都具有较好的耐腐蚀性能,能有效防止酸类、碱类、重金属离子等腐蚀性化学液体的侵蚀,这也同样赋予了玻璃钢复合材料优异的耐腐蚀性能。

玻璃纤维的主要化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。玻璃钢复合材料具有类似玻璃纤维的化学性质,即纤维增强复合材料热导率低,是优良的绝热材料,即使是在瞬时超高温度下,依然能够保持较好的性能,是目前工业中理想的热防护和耐烧蚀材料,在航空航天等极端条件下得到了广泛的应用。例如作为飞机和航天器等高科技产品的主要保护材料,玻璃钢复合材料能承受瞬时2000℃以上高温气流的冲刷,保持自身形态不变和内部器件完好。除了优异的防护能力外,玻璃钢复合材料中含有大量的硅酸盐,其密度不及钢材的1/4,但强度比钢材还要高,常用做一些轻质的结构件。由于其拉伸性能优异、相对密度较小、强度媲美高级合金钢,因此玻璃钢复合材料同样广泛应用在需要减轻自重的产品之中,例如航空航天、汽车零件和军用产品等。玻璃钢制品中含有的不饱和聚脂树脂,在材料中起到传递应力和支撑固定纤维的作用,可根据制品结构特点在关键受力点进行局部增强,这就使得玻璃钢材料可以随意拉伸成不同的形状,成为美观的艺术品等。

2玻璃钢复合材料的防腐性能

2.1树脂分类应用

组成玻璃钢的树脂原材料的不同,直接决定着玻璃钢所表现出的物理化学性质,不同的树脂会使得成型玻璃钢的防腐性能和原理也略有差异,所以针对不同领域的防腐要求,树脂材料的选择也十分重要。玻璃钢复合材料根据所使用树脂的热成型可以分为两大类:热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。热固性树脂是最早大规模应用于玻璃钢复合材料的基体树脂,也是目前工业上使用最为广泛的材料,主要源于其优于热塑性塑料的耐热性能及可设计性,研究的重点集中在树脂的合成与改性、制品的成型工艺方面。

玻璃钢复合材料树脂结构成分的不同也会导致较大的差异,组成树脂的种类主要包括酚醛树脂、环氧树脂、环氧改性乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。环氧树脂和酚醛树脂,主要应用于耐腐蚀、高强度场景,如航空、航天领域等。通用领域用的最多的是不饱和聚酯树脂和乙烯基树脂,这类树脂在常温下即可成型,操作比较方便,同时性价比较高,所以被广泛应用。乙烯基树脂在防腐等领域的应用也比较广泛,191是常用的通用性树脂,属于邻笨型不饱和聚酯树脂,机械强度、耐腐蚀性能和耐高温性能一般,但因其价格相对低廉,所以在工业及生活方面被大量采用。

2.2防腐性能原理

玻璃钢本身良好的化学稳定性,使其在常见的水氧、性、碱性和有机溶剂等腐蚀环境中能长期保持稳定,表现出优异的耐腐蚀性能。即使玻璃钢复合材料不需像金属材料管道那样采用严格的内外涂层或阴极保护,在使用期限内基本不需保护,但也存在一定程度的腐蚀和老化问题。玻璃钢的腐蚀根据原理的不同可以分为两类:物理腐蚀和化学腐蚀。物理腐蚀主要是由于环境中极性分子与玻璃钢中的不饱和聚酯树脂中存在的翔基、羟基等极性基团发生相互反应而引发材料的溶胀,产生腐蚀破坏。玻璃钢的化学腐蚀主要是指高分子链发生了断裂和破坏,主要原因是树脂中的不饱和双键等极性键发生氧化水解、皂化等反应,从而破坏大分子的结构,出现降解破损等问题,其耐腐蚀性能取决于聚酯的结构、酯基浓度、双键含量及位置等因素。

2.3防腐性能的应用

除了利用玻璃钢自身防腐性能制备管道进行防腐以外,实际生产中也存在大量利用玻璃钢基涂层对管道进行防腐的应用,其主要原理是屏蔽作用和钝化作用。

屏蔽作用是指利用玻璃钢基树脂涂层涂敷在被保护的基底上,通过固化剂使玻璃钢树脂与被保护基底的活性点发生化学反应,利用化学键间的相互作用达到涂层附着的效果,使基底与腐蚀环境隔绝开,防止氧气、水分或腐蚀离子到达基底表面产生腐蚀。

钝化作用是指可采用玻璃钢涂层,通过特定的反应条件在涂层/基材界面上形成一层致密的反应氧化层,钝化基底,达到防腐效果。例如工业中常见的利用碳纤维布与混凝土混合实现材料覆盖,通过碳纤维布和混凝土本身的抗化学腐蚀性达到抗腐蚀的效果。

3玻璃钢复合防腐材料开发

3.1聚偏氟乙烯树脂材料

聚偏氟乙烯树脂材料(简称PVDF)是指偏氟乙烯与其他含氟乙烯基单体的共聚物,具有较好的耐磨、耐化学腐蚀、耐高温色变和耐氧化性能,是目前工业中使用量极大的保护涂料和隔膜材料,在涂料行业、石油化工、电子行业等领域表现优异。由于具有较好的化学、物理性能和加工性能,PVDF也广泛使用于设备材料、机械配件、建筑涂料、汽车装饰、家电外壳等方面。另外,PVDF树脂还可以与其他树脂共混改性,兼容性较好,例如PVDF与ABS树脂共混得到的复合材料,具有特异的物理、化学性能,不但有很强的耐磨性和抗冲击性能,而且在极端严酷与恶劣的环境中有很高的抗褪色性与抗紫外线性能。PVDF树脂的多种特性,让它与纤维增强复合材料(FRP)联系在一起,使玻璃钢复合材料耐高温性和耐腐蚀性更强,成为了新型耐腐蚀复合材料。

3.2一种PVDF-玻璃钢基防腐管道的设计

基于PVDF-玻璃钢的复合性能,本文研究设计了一种PVDF-玻璃钢基防腐管道,如图1所示,研究设计三层防护:管道表层、管道内层、管道里层。三层防护主要针对脱硫烟气的高温、酸碱性、易腐蚀等复杂处理环境设计。

首先基于管道结构的整体要求,采用197树脂与无碱纤维布结合,通过手工或机器技术缠绕组成了位于最外侧的管道表层,这样既加强了管道的耐高温、耐酸碱性和适用性,同时也能防止工业气体渗漏,延长设备使用寿命。管道内层则使用901乙烯基树脂和碳化硅混合,通过涂覆技术附着在无碱纤维布上,以增强管道的耐腐蚀、耐高温和耐磨性。管道里层采用PVDF树脂,充分发挥了PVDF树脂拥有的优良耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性等特点,使管道性能增强,寿命延长。考虑到管道所运用的环境不同,还可在管道内部加入金属,基于天然橡胶相对于合成丁基橡胶对于金属具有更强的粘接力,本设计利用氯丁基橡胶作为复合在天然橡胶上的防腐耐磨层,这样可以最大限度地保护金属管道不受脱硫烟气的侵害。

本设计主要针对脱硫烟气本身温度高、酸碱性强的特点,创新性地提出了三元防腐的技术,通过管道外层、里层和内层的三层防护,基于防腐性能极佳的材料的组合,做到了管道的物理防腐和化学防腐的结合:管道内外结合,做到了深度防腐,减轻了管道在使用过程中受到的空气、水、污染物等多种材料造成的常规性腐蚀。通过PVDF树脂和玻璃钢材料特性的结合,得到了一种耐高温、耐酸碱、耐腐蚀的新型工业管道。

4结语

目前大量的工业材料快速发展,玻璃钢复合材料作为工业材料中发展最快的一种材料,它的使用可以结合不同的环境要求,通过选用不同的树脂来满足需求。玻璃钢复合材料因其优异的耐腐蚀、耐酸碱性在工业及生活领域被广泛应用。但是,在实际生产中,玻璃钢复合材料在高温的工业环境下的应用,例如在高温烟气、废水等的收集、排放等方面的应用仍然受到极大的限制。本文利用玻璃钢优异的防腐性能,结合聚偏氟乙烯材料的特性,提出了一种三元高温防腐管道的设计,以应用于复杂的高温脱硫烟气环境,为玻璃钢复合材料的发展提供了借鉴和参考。玻璃钢复合材料作为材料领域的研究热点,还需科研人员进一步地研究和开发,以实现更好的应用。