引言

工業(yè)的發(fā)展是支撐國家戰(zhàn)略的關鍵因素,材料工業(yè)是工業(yè)發(fā)展的基礎。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)生等領域得到了應用。玻璃鋼復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,延長材料和設備的使用壽命,對加快和促進玻璃鋼的應用具有著重要的戰(zhàn)略意義。

1玻璃鋼復合材料

1.1玻璃鋼復合材料現(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、交通等領域發(fā)揮了重要作用,成為了影響傳統(tǒng)工業(yè)技術結(jié)構(gòu)發(fā)展的關鍵性因素。玻璃鋼復合材料以其特有的性質(zhì)、豐富的原料基礎、不斷提升的技術與產(chǎn)品開發(fā)水平,逐漸成為了復合材料中發(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,關于玻璃鋼復合材料的研究還需進一步深入。

1.2玻璃鋼復合材料成分和性能特點

玻璃鋼復合材料硬度很高,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。玻璃鋼復合材料具有類似玻璃纖維的化學性質(zhì),即纖維增強復合材料熱導率低,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,因此玻璃鋼復合材料同樣廣泛應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,成為美觀的藝術品等。

2玻璃鋼復合材料的防腐性能

2.1樹脂分類應用

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,所以針對不同領域的防腐要求,樹脂材料的選擇也十分重要。玻璃鋼復合材料根據(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)模應用于玻璃鋼復合材料的基體樹脂,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,主要應用于耐腐蝕、高強度場景,如航空、航天領域等。通用領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,所以被廣泛應用。乙烯基樹脂在防腐等領域的應用也比較廣泛,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,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,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,通過特定的反應條件在涂層/基材界面上形成一層致密的反應氧化層,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,讓它與纖維增強復合材料(FRP)聯(lián)系在一起,使玻璃鋼復合材料耐高溫性和耐腐蝕性更強,成為了新型耐腐蝕復合材料。

3.2一種PVDF-玻璃鋼基防腐管道的設計

基于PVDF-玻璃鋼的復合性能,本文研究設計了一種PVDF-玻璃鋼基防腐管道,如圖1所示,研究設計三層防護: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、易腐蝕等復雜處理環(huán)境設計。

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,本設計利用氯丁基橡膠作為復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,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。玻璃鋼復合材料因其優(yōu)異的耐腐蝕、耐酸堿性在工業(yè)及生活領域被廣泛應用。但是,在實際生產(chǎn)中,玻璃鋼復合材料在高溫的工業(yè)環(huán)境下的應用,例如在高溫煙氣、廢水等的收集、排放等方面的應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計,以應用于復雜的高溫脫硫煙氣環(huán)境,為玻璃鋼復合材料的發(fā)展提供了借鑒和參考。玻璃鋼復合材料作為材料領域的研究熱點,還需科研人員進一步地研究和開發(fā),以實現(xiàn)更好的應用。