改性聚全氟乙丙烯(FEP)對(duì)鋼材防腐蝕性能的影響

李 勇,鄭 鷗

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院周口分院，河南 周口 466000)

改性聚全氟乙丙烯(FEP)對(duì)鋼材防腐蝕性能的影響

李 勇,鄭 鷗

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院周口分院，河南 周口 466000)

采用新型改性聚全氟乙丙烯(FEP)樹(shù)脂對(duì)鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道進(jìn)行防腐蝕研究，運(yùn)用劃格實(shí)驗(yàn)、耐水性實(shí)驗(yàn)、耐候性實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)新型改性材料的性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明該新型防腐蝕材料的耐蝕性、耐候性、耐熱性較好，能有效防止鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道被腐蝕.

聚全氟乙丙烯(FEP)； 壓力容器；壓力管道；防腐蝕

在壓力容器及壓力管道使用過(guò)程中，由于其儲(chǔ)存及輸送的介質(zhì)一般都具有很強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)導(dǎo)致鋼材因腐蝕失效[1-2].鋼材腐蝕的形式一般有點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、均勻腐蝕等，防止鋼材腐蝕是延長(zhǎng)壓力容器和壓力管道使用壽命的關(guān)鍵之一[3].

引起鋼材腐蝕的主要因素有碳的影響、鋼組織的影響和焊接加工影響.碳在鋼中常以碳化物的形式存在，在非氧化性的酸性介質(zhì)中，碳含量越高，腐蝕速度越快；在具有氧化性的酸性介質(zhì)中，碳含量越低，腐蝕速度越快.鋼組織的影響主要是鋼材中碳、鐵素體及滲碳體等物質(zhì)電極電位不同，碳的電位最高，滲碳體其次，鐵素體電位最低.在腐蝕性介質(zhì)的作用下，碳和滲碳體成為陰極，鐵素體為陽(yáng)極，導(dǎo)致鋼鐵腐蝕加速.焊接加工時(shí)，鋼材在焊接時(shí)候被快速加熱和冷卻，造成焊縫周圍鋼材組織結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化，易引起縫隙腐蝕[4-7].鋼材表面電化學(xué)腐蝕分為析氫腐蝕與吸氧腐蝕兩種方式.

析氫腐蝕：Fe→Fe2++2e(陽(yáng)極反應(yīng))， 2H++2e→H2↑(陰極反應(yīng))，2H2O+O2+4e→ 4OH-(陰極反應(yīng)).

吸氧腐蝕：Fe→Fe2++2e(陽(yáng)極反應(yīng))，2H++ O2+2e→H2O(陰極反應(yīng)).

目前，常用的壓力容器防腐措施有金屬防腐層、搪瓷、搪玻璃、橡膠襯里、涂漆等，應(yīng)用較廣泛的是涂裝防腐蝕材料或利用材料使管道與介質(zhì)隔離，使用較多的有環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯等[8].研究表明，由于壓力容器及壓力管道的工作環(huán)境較復(fù)雜，部分防腐蝕材料在投入使用后很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致防護(hù)失效，故需要選擇一種防腐能力強(qiáng)、耐候性較好的材料.本研究采用聚全氟乙丙烯樹(shù)脂作為基體材料，對(duì)其進(jìn)行改性，使其能夠滿足壓力容器和壓力管道的防腐蝕要求.

1 聚全氟乙丙烯樹(shù)脂

聚全氟乙丙烯(FEP)是一種線性結(jié)構(gòu)的高分子化合物，由四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)共聚而成，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，幾乎能耐各種濃度的有機(jī)酸、堿及醇、酮、烴類、鹵代烴、芳烴等的腐蝕[9].

FEP樹(shù)脂具有良好的耐熱性、耐候性與耐蝕性，力學(xué)性能和抗蠕變性能優(yōu)異，200 ℃以下時(shí)侵蝕、疏水和不黏性能較好.在加工使用過(guò)程中，熔融黏度低且溶體的流動(dòng)性好，以在250～360 ℃時(shí)正常加工[10].

2 FEP樹(shù)脂改性實(shí)驗(yàn)

FEP在用作防腐蝕材料時(shí)，能夠完成復(fù)雜環(huán)境下的腐蝕防護(hù)，是一種良好的防腐蝕材料.但是,FEP樹(shù)脂在與鋼質(zhì)基材結(jié)合時(shí)，附著力較差，不易與鋼材之間形成牢固的結(jié)合，所以在很多防腐蝕工程應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)FEP材料脫落造成的防腐失效，造成材料良好的防腐蝕性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮.因此，在使用FEP樹(shù)脂作為防腐蝕材料時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行改性，通過(guò)改性提高它與基材之間的結(jié)合力.本研究采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)FEP樹(shù)脂進(jìn)行改性，以增強(qiáng)聚全氟乙丙烯與鋼材之間的結(jié)合力，使其能夠起到長(zhǎng)期有效的防腐蝕作用.

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，選擇FEP樹(shù)脂作為基體樹(shù)脂，使用環(huán)氧樹(shù)脂與FEP樹(shù)脂進(jìn)行共混改性，利用環(huán)氧樹(shù)脂中的脂肪族羥基、醚鍵、環(huán)氧基等極性基團(tuán)，使材料與被涂覆鋼材之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力，并在新材料中加入鈦白粉、硫酸鋇和云母粉等顏料作為影響因子，用以提高材料與鋼材之間的結(jié)合力，增強(qiáng)材料表面的硬度，提高其耐熱性，降低熱膨脹系數(shù).

2.1因素與水平

根據(jù)各影響因素的特性，參考正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)聚全氟乙丙烯材料采用三水平四因素L9(34)的正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn).根據(jù)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，查找各因素的影響效果，根據(jù)影響效果進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn).

2.2正交實(shí)驗(yàn)

按照三水平四因素L9(34)正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)FEP材料進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試片研究，找出各因素對(duì)材料防腐性能及耐候性的影響，確定各組分的最優(yōu)比例.

3 材料性能實(shí)驗(yàn)

3.1制備試片

實(shí)驗(yàn)采用Q235鋼作為基體鋼材，涂覆底漆之前，對(duì)鋼材進(jìn)行表面打磨、除油及除銹處理，然后在試片上涂覆底漆，待底漆完成后涂覆面漆，多次涂覆面漆直至達(dá)到需要的厚度，冷卻后放入25 ℃的恒溫箱.將制作完成并經(jīng)過(guò)恒溫干燥的試片取出，使用超聲波測(cè)厚儀對(duì)試片上的材料厚度進(jìn)行測(cè)量，在每一個(gè)試片上取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 材料試片厚度Tab.1 The specimen thickness of coating μm

表1(續(xù)) μm

3.2試片基本性能測(cè)試

根據(jù)GB 1727—1992漆膜一般制備法[11]的要求，模擬壓力容器和壓力管道運(yùn)行工況，對(duì)新型聚全氟乙丙烯(FEP)材料進(jìn)行附著力、耐熱性、耐候性等方面的測(cè)試.參照GB/T 1767—1989漆膜耐候性測(cè)定法[12]、GB/T 1766—2008色漆和清漆 材料老化的評(píng)級(jí)方法[13]、GB 1735—2009漆膜耐熱性測(cè)定法[14]、GB/T 9286—1998色漆和清漆 漆膜的劃格實(shí)驗(yàn)[15]、HG/T 3344—2012《漆膜吸水率測(cè)定法》[16]、GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測(cè)定方法》[17]等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料試片進(jìn)行基本性能、耐熱性、劃格實(shí)驗(yàn)和耐候性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2至表5.

表2 材料基本性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The basic properties of coating test

表3 材料耐候性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Weathering test results

表4 材料耐熱性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Heat resistance results

表5 材料劃格性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Cross cut test results

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型FEP材料如基本性能、耐候性、耐熱性等方面性能優(yōu)異，而且與基體鋼材之間的附著力較強(qiáng)，能夠在長(zhǎng)期使用中保持較好附著，無(wú)變形、起泡、開(kāi)裂和剝落.

3.3材料加速實(shí)驗(yàn)

根據(jù)壓力容器和壓力管道的實(shí)際應(yīng)用工況，結(jié)合材料的常規(guī)性能，本研究采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl水溶液對(duì)聚全氟乙丙烯材料進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步確定此材料在長(zhǎng)期應(yīng)用中的耐候性和耐水性.具體方案步驟如下：把制作好的材料試片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl水溶液中，密閉容器后，在相應(yīng)的溫度下浸泡一定的時(shí)間后取出試片進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6與表7所示.FEP材料表面無(wú)明顯變化，保持光滑，無(wú)鼓泡、脫落、裂紋、起層現(xiàn)象出現(xiàn)，很好地阻止了氯離子等腐蝕性離子的侵入，起到良好的防護(hù)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6與表7.

表6 材料耐熱性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Heat resistance results

表7 材料劃格性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Cross cut test results

4 結(jié)論

本研究利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)各影響因子的含量進(jìn)行研究，根據(jù)各因素對(duì)材料耐蝕性、耐候性、耐熱性等的影響，選擇最優(yōu)含量.新型聚全氟乙丙烯(FEP)分散液材料的施工工藝簡(jiǎn)單，可采用刷涂、輥涂和等離子噴涂等多種施工方法，效果較好且表面光滑、致密，防腐蝕性能優(yōu)異.

(1)使用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)聚全氟乙丙烯(FEP)樹(shù)脂共混改性后制成的防腐蝕材料與被涂覆鋼材之間形成了較強(qiáng)的結(jié)合力，能夠使材料與基體鋼材牢固結(jié)合.

(2)新型聚全氟乙丙烯(FEP)材料具有優(yōu)良的耐蝕性、耐候性與耐熱性，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)變形、起泡、開(kāi)裂和剝落等現(xiàn)象，能夠在惡劣環(huán)境中保持性能不變，是性能優(yōu)良的防腐蝕材料.

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TQ630.7

A

1674-330X(2017)03-0024-04

2017-03-27

河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015zj21；2016zj01)

李勇(1983-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事特種設(shè)備的檢驗(yàn)工作.