高耐磨耐蝕RCC樹脂/陶瓷聚合體的研究與應(yīng)用

曾 邵 楊增朝 楊華平

(1.上海富晨化工有限公司技術(shù)研究中心， 上海 200241；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所， 北京 100190)

0 前言

我國大多數(shù)燃煤電廠采用石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)[1]。這種技術(shù)采用的FGD系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運行的材料主要是石灰石- 石膏漿液及其他物料。這些流體具有一定的腐蝕性和較強的磨損性，對漿液循環(huán)泵、葉片及管道等脫硫裝置產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕、磨損[2]。

現(xiàn)有的FGD系統(tǒng)的耐磨耐蝕材料主要有鎳基耐蝕合金、橡膠襯里、鱗片膠泥、耐磨鱗片膠泥、玻璃鋼、耐蝕塑料、耐蝕硅酸鹽材料等。這些材料具有不同的性能特點，應(yīng)用區(qū)域也各不相同。針對重點區(qū)域的磨損需求，不少專業(yè)學(xué)者和技術(shù)人員對先進陶瓷基復(fù)合材料做了大量研究，一般采用級配的碳化硅(SiC)、剛玉粉(主要成分為Al2O3)或陶瓷粉(主要成分為SiO2和Al2O3)與環(huán)氧樹脂(或環(huán)氧乙烯基酯樹脂)復(fù)合，研制出多種陶瓷類耐磨耐蝕材料[3-5]。其中碳納米材料改性樹脂/陶瓷/纖維混雜復(fù)合材料是根據(jù)不同材料組合的力學(xué)性能差異研制出來的，目前已有成功應(yīng)用案例[6]，但是研究者未進一步對比測試上述陶瓷混雜復(fù)合材料和普通復(fù)合材料的耐磨性能指標(biāo)差距。陶瓷粉分為許多種類，即使是同一種陶瓷粉，也會因為其生產(chǎn)工藝的不同而具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，進而表現(xiàn)出較大的性能差異，如相比微米結(jié)構(gòu)陶瓷，納米結(jié)構(gòu)陶瓷的隔熱效果明顯提高[7]。本文以高性能樹脂為基體、以球形多孔陶瓷和納米氧化鋯等為骨架材料，以碳化硅晶須為補強增韌材料，研制了一種新型具有高耐磨耐蝕性能的RCC樹脂/陶瓷聚合體材料，并對其耐磨性能、熱穩(wěn)定性、粘接性能和力學(xué)性能進行研究。

1 RCC樹脂/陶瓷聚合體材料的實驗研制

1.1 原材料

RCC樹脂/陶瓷聚合體材料研制所需的材料包括高性能環(huán)氧樹脂、球形多孔陶瓷(圖1)、碳化硅晶須(圖2)、納米氧化鋯、固化劑、偶聯(lián)劑以及其他助劑。

圖1 球形多孔陶瓷的放大照片

圖2 納米碳化硅晶須掃描電鏡圖

1.2 制備工藝

首先分別對球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯采用偶聯(lián)劑進行表面改性處理，然后按照一定的比例將它們先后倒入已添加助劑的高性能樹脂中，并攪拌均勻，最后加入固化劑，再次攪拌均勻，即可制備出RCC樹脂/陶瓷聚合體材料。最后，把RCC樹脂/陶瓷聚合體材料涂覆到經(jīng)噴砂處理的鋼板上制成樣塊。

1.3 性能測試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)

1)摩擦磨損性能測試。設(shè)備采用美國Falex多試件摩擦磨損試驗機，測試標(biāo)準(zhǔn)采用《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》(GB/T 3960—2016)。

2)熱穩(wěn)定性測試。設(shè)備采用普通熱穩(wěn)定性測試儀，其由加熱爐體、恒溫水槽、送試樣機構(gòu)和控溫儀表等4個部分組成。

3)底涂粘接性能測試設(shè)備采用進口HATE液壓附著力測試儀。測試方法采用《用便攜式附著力測試儀測定涂層拉脫強度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》(ASTM D 4541—2009)中的拉開法。

4)力學(xué)性能測試。設(shè)備采用德國Zwick Roell集團制造的Zwick Allround電子萬能材料試驗機，測試標(biāo)準(zhǔn)采用《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 1447—2005)、《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》(GB/T 1449—2005)。

2 RCC樹脂/陶瓷聚合體材料的性能測試結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

純樹脂樣塊、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥樣塊與RCC樹脂/陶瓷聚合體樣塊在不同摩擦?xí)r間下的磨損量如圖3所示。

圖3 純樹脂、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥及 RCC樹脂/陶瓷聚合體的磨損量

由圖3可知，在摩擦?xí)r間為60 min時，RCC樹脂/陶瓷聚合體樣塊的磨損量為1.0 mg，VEGF- 1耐磨鱗片膠泥樣塊的磨損量為5.2 mg，純樹脂樣塊的磨損量為13.8 mg。這表明在樹脂基體中加入球形多孔陶瓷、納米氧化鋯和碳化硅晶須可大大提高RCC樹脂/陶瓷聚合體的耐摩擦性能。這是因為碳化硅晶須和納米氧化鋯具有較高的表面能，對樹脂中的大分子鏈產(chǎn)生吸附作用，從而可以傳遞和吸收分子鏈之間的應(yīng)力，同時阻礙樹脂中的大分子呈條狀剝離，減弱樹脂基體的摩擦磨損；更重要的是，球形多孔陶瓷骨架對樹脂基體具有很強的束縛作用，可以有效減少樹脂基體在摩擦過程中產(chǎn)生的形變，同時球形多孔陶瓷的特殊結(jié)構(gòu)成為載荷的主要承受骨架，分擔(dān)了絕大部分載荷，減少了樹脂基體與外界的摩擦接觸，有效地保護了樹脂基體，使磨損量降低到最低水平。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

采用熱穩(wěn)定性測試僅對RCC樹脂/陶瓷聚合體(樣件尺寸為30 mm×6 mm×4 mm)的熱穩(wěn)定性進行測試，并與VEGF- 1耐磨鱗片膠泥、純樹脂的熱穩(wěn)定性進行對比。設(shè)定加載速率為1 mm/min，測量RCC樹脂/陶瓷聚合體的尺寸隨溫度改變而出現(xiàn)的變化，觀察RCC樹脂/陶瓷聚合體在高溫條件下的尺寸穩(wěn)定性。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 純樹脂、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥及RCC樹脂/陶瓷聚合體的熱穩(wěn)定曲線

從圖4中可以看出，純樹脂基體在溫度大于80 ℃時開始發(fā)生熱變形，到180 ℃時，熱變形量達到0.72%；而以這種樹脂制成的VEGF- 1耐磨鱗片膠泥在溫度為120 ℃時開始發(fā)生形變，在180 ℃時熱變形量為0.34%；而RCC樹脂/陶瓷聚合體在180 ℃時仍然沒有發(fā)生尺寸變化，這說明球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯等材料的加入使RCC樹脂/陶瓷聚合體的熱穩(wěn)定性與VEGF- 1耐磨鱗片膠泥相比至少提高了50%。這是因為這些骨架材料本身耐熱性較好，在高溫條件下不易發(fā)生形變，同時球形多孔陶瓷特殊的球形空洞結(jié)構(gòu)還可以約束樹脂基體的形變。

2.3 粘接性能分析

在150 mm×150 mm×5 mm的單面鋼板上進行噴砂除銹，使除銹等級達到Sa2.5級，即粗糙度達到75左右，再將配制好的RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂層涂覆在鋼板上。鋼板樣件經(jīng)固化處理后再采用拉開法進行測試，共測試5個樣件，金屬粘接頭的直徑為19.2 mm，粘接面積為280.0 mm2。拉開法是可以在涂裝現(xiàn)場檢測附著力的方法，能更加直觀、更及時地測出涂層與基材之間的附著力[8]。測試結(jié)果見表1。

表1 RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂粘接強度 MPa

由表1可知，RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂的附著力大于20 MPa。而目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的附著力不超過8 MPa，這說明RCC樹脂/陶瓷聚合體在粘接性能方面遠遠優(yōu)于襯膠。

2.4 力學(xué)性能分析

采用電子萬能材料試驗機對RCC樹脂/陶瓷聚合體(樣件尺寸為30 mm×6 mm×4 mm)的抗彎強度和抗壓強度進行測試，共測試了5個樣件，測試結(jié)果見表2。

表2 RCC樹脂/陶瓷聚合體力學(xué)性能測試結(jié)果 MPa

從表2可以看出，RCC樹脂/陶瓷聚合體的平均抗彎強度為29.2 MPa，平均抗壓強度為293.8 MPa。而目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的抗彎強度小于10 MPa，抗壓強度小于100 MPa，這說明RCC樹脂/陶瓷聚合體在力學(xué)性能方面遠遠優(yōu)于襯膠。

3 RCC樹脂/陶瓷聚合體的應(yīng)用

針對FGD系統(tǒng)內(nèi)高磨損區(qū)域、設(shè)備或管道的磨損特點和要求，以高耐磨耐蝕RCC樹脂/陶瓷聚合體材料為基礎(chǔ)，可以制定FGD系統(tǒng)耐磨防腐蝕問題的解決方案。

目前，RCC樹脂/陶瓷聚合體已應(yīng)用于FGD系統(tǒng)脫硫塔內(nèi)防腐蝕部位、漿液循環(huán)管道彎頭、變徑接頭、法蘭端面等易磨損部位的修復(fù)，也廣泛應(yīng)用于含大量粉塵、耐磨防腐蝕需求高的領(lǐng)域。山東某石化熱電廠、新疆某熱電廠已在典型工藝過程中應(yīng)用該產(chǎn)品，并收到良好效果，每年可節(jié)省大量的維修費用，也延長了裝置和設(shè)備的持續(xù)運行時間。

4 結(jié)論

通過上述耐磨性能、熱穩(wěn)定性、粘接性能及力學(xué)性能分析可知，RCC樹脂/陶瓷聚合體是一種優(yōu)質(zhì)耐磨耐蝕材料，具有如下優(yōu)點：

1)適應(yīng)性廣。針對不同應(yīng)用環(huán)境和部件，可調(diào)整RCC樹脂/陶瓷聚合體的制作配比，使其滿足各種復(fù)雜工況。

2)耐磨性好。經(jīng)過特殊處理，RCC樹脂/陶瓷聚合體具有優(yōu)異的耐磨性能，表面光潔度高，運行阻力小，耐磨強度高。

3)防腐性優(yōu)。RCC樹脂/陶瓷聚合體可耐酸、堿、鹽水、有機溶劑、氧化物等多種介質(zhì)的腐蝕。

4)粘接性強。RCC樹脂/陶瓷聚合體配套專用底涂具有超強的附著力，可以直接涂刷在碳鋼、不銹鋼、鈦、玻璃纖維、復(fù)合材料、塑料及混凝土的表面[8]，RCC樹脂/陶瓷聚合體與碳鋼基體的粘接強度大于20 MPa，其粘接性能遠優(yōu)于襯膠。

5)力學(xué)性能優(yōu)。RCC樹脂/陶瓷聚合體的平均抗彎強度和平均抗壓強度均遠遠超過襯膠。

6)安全性高。RCC樹脂/陶瓷聚合體具有較高的熱穩(wěn)定性，180 ℃時形變?nèi)匀缓苄　．a(chǎn)品為難燃設(shè)計，可有效消除施工過程中的火災(zāi)隱患。

7)工藝性佳。施工簡單、方便，且RCC樹脂/陶瓷聚合體可修復(fù)性好，使用壽命長。