第5章非金属结构材料的耐蚀特性ppt课件.ppt

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第五章非金属结构材料耐蚀特性§5-1高分子材料腐蚀特性和影响因素§5-2耐腐蚀高分子材料§5-3耐腐蚀无机非金属材料§5-5玻璃钢§5-4碳—石墨1 非金属材料有良好耐蚀性和某些特殊性，原料来源丰富，价格低廉。但物理机械性能差，施工技术、腐蚀机理尚不成熟。非金属材料按性质分为：（1）高分子材料，如塑料、橡胶、胶结材料、涂料；（2）无机材料，如天然耐酸材料（花岗岩）、工程陶瓷、耐火材料、石墨、硅酸盐材料；（3）复合材料，如玻璃钢。2 课堂互动3 影响高分子材料老化的因素：阳光温度湿度其他作用老化（耐侯性）紫外线红外线水分、雨雪一、老化化学解质或在光、热、应力作用下高分子材料重量、体积、强度等性能发生质变丧失使用性能的过程称为“老化”。§5-1高分子材料腐蚀特性和影响因素4 影响老化的因素（1）温度：升高温度，引起热老化并促进化学老化，增塑剂挥发等；（2）阳光：阳光下聚合物基团吸收与它固有频率相应的紫外光波，使高聚物大分子中的化学键激发或价键断裂产生自由基，在氧气，水等存在下，发生进一步裂解反应；（3）湿度：大气中水分子，雨雪使高分子材料发生溶胀、水解、变形、表面龟裂；（4）其它作用：在光、热作用下，大气中氧气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫与高分子材料反应、裂解；风、雨、雪、尘等对设备的冲刷作用。5 渗透：高分子材料处于环境中，腐蚀性介质通过材料表面渗入内部，同时，材料的可溶成分及腐蚀产物逆向扩散进入介质。溶胀:相当数量介质小分子渗入高聚物内部，引起高分子材料宏观上体积和重量增加的现象称为溶胀。具有交联结构体型高聚物，只能交联键伸直，难断裂，发生溶胀。溶解：如果大分子间无交联键，溶胀可以一直进行下去，大分子充分溶剂化后缓慢向溶剂扩散，形成均匀溶液的过程称为溶解。溶解性遵循极性相似相溶原则。线性高聚物溶胀进而溶解。二、渗透溶胀溶解6 三、化学腐蚀—氧化与水解氧和水具有很大渗透能力和反应活性，反应使主键断裂。氧化和水解是高分子材料腐蚀破坏的常见反应。尤其温度高于150—200℃时。烯烃类聚合物大分子链中，在双键α—位碳原子或连有三个碳原子的叔碳原子的氢，结合力弱，易氧化形成氢过氧化物。化学腐蚀--氧化7 化学腐蚀--氧化易氧化程度依次为：聚二烯烃>聚丙烯>低密度聚乙烯>高密度聚乙烯。烯烃大分子引入卤素，杂链大分子抗氧化能力改善。8 加聚反应合成的产物的主链“C—C”共价键不易水解；杂链高聚物中杂原子与碳原子形成极性键易受到极性很大水分子攻击。杂原子与碳原子键的极性越大，越易水解,在酸、碱催化作用下更易进行；高分子材料的水解基团在酸碱介质中的水解活化能越高，越不易水解；化学腐蚀--水解耐酸性介质水解能力依次为：醚键>酰胺键或酰亚胺键>酯键>硅氧键。耐碱性介质水解能力:酰胺键或酰亚胺键>酯键。9 大分子链及链段沿应力方向移动：拉应力作用下：材料的质量↑，机械强度↓正应力作用下：材料的质量增加趋势↓四、应力腐蚀在某些条件下，高分子材料在应力和腐蚀介质共同作用下，介质溶入材料内部，应力增大，耐腐蚀性能急剧下降，发生类似金属应力腐蚀破裂的现象，出现裂纹，并不断发展直至脆断。其规律：（1）拉应力促进腐蚀：材料受外加负荷或加工过程残余应力作用时，10 （2）蠕变和疲劳：长期静负荷作用及交变应力状态下，腐蚀性介质中，会发生蠕变和疲劳；蠕变强度↓、疲劳强度↓（3）环境应力开裂：受多向应力或较大应变作用下的高分子材料，在某些环境介质中可能产生银纹,发生环境应力开裂。11 耐环境应力开裂的能力与材料本性和介质本性有关：部分结晶的塑料，晶区有应力集中，在晶区与非晶区的交界处产生裂纹的倾向性就大；应力集中部位，环境应力开裂的可能性大；分子量小、分布窄的高聚物比大分子量的易发生开裂。在具有中等溶胀能力的醇类、蓖麻油等活性介质中，材料易发生环境应力开裂。12 聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为主要原料，加入增塑剂、稳定剂、润滑剂、颜料剂等经捏合、混炼和成型加工过程而制的。按100份树脂加30-70份增塑剂的塑料，质地柔软，称软聚氯乙烯塑料。通常不加或加少量增塑剂（不超过5份）的称硬聚氯乙烯塑料。§5-2耐腐蚀高分子材料一、聚氯乙烯13 除强氧化剂（如浓度大于50%硝酸、发烟硫酸），芳香族、氯代碳氢化合物（如苯、甲苯、氯苯）及酮类外，能耐大部分酸、碱、盐类、碳氢化合物、有机溶剂等介质腐蚀。1.耐蚀性能：分子结构中不含有活性较大基团，主链全是非极性共价键C-C联结而成，故具有良好的化学稳定性。影响耐蚀性能因素：温度、应力、介质。温度、内应力越高腐蚀速率越快。14 材料的溶解性和渗透性增加聚合物裂解交联氧化产物降解交联（老化）与强氧化性介质接触，会被氧化，在光、热或机械作用下易发生脱氯化氢反应，导致降解和交联、变硬、变脆亦发生“老化”。15 2.应用：良好耐蚀性，一定机械强度，成型加工和焊接方便，所以应用广泛。可制作贮槽、塔设备、电除雾器、离心泵、风机、管道、管件、阀门等。制成纤维布耐酸、耐碱、低价作滤布。P134表5-4根据PVC材料的特性和具体使用条件确定许用应力和安全系数。以长期拉伸强度作为计算许用应力的依据。焊缝系数0.85~0.95，一般取0.6。3.设备结构设计特点：16 刚性较小，防止变形，顶盖，筒体结构应采用加强性措施；避免焊缝本体和焊缝边线的母材断面的剧烈变化；17 采用双面或单面对接加强焊提高焊缝强度、保护焊缝；焊缝尽可能错开（多块板材）；利用PVC的热塑性，管道之间采用热胀承插的结构连接。18 考虑到材料的膨胀系数，金属加强构件与塑料设备之间允许相对自由位移；膨胀系数大，长管道，注意加膨胀节；强度低不能承受过大附加载荷；19 具有良好的耐蚀性、耐溶剂性、耐热性（>PVC）可以采用热塑性塑料的加工方法、可以焊接常用于制作化工管道、贮槽、衬里等,石墨改性PP，可做PP换热器。线膨胀系数PP=3线膨胀系数PVC杨氏模量PP=1/8杨氏模量PVC热膨胀和刚性问题二、其它塑料但注意热膨胀和刚性问题。1.聚丙烯塑料（PP）：20 聚四氟乙烯（PTFE，F-4）聚三氟氯乙烯（PCTFE，F–3）聚全氟乙丙烯（FEP，F–46）2.氟塑料：氟塑料是含氟原子的塑料总称。具有优良的腐蚀性、耐热性、自润滑性和电性能。21 聚四氟乙烯（PTFE，F-4）〔 CF2- CF2〕n高化学惰性耐蚀性耐热性耐老化性机械强度、刚性低线膨胀系数大导热性差熔点高，成型加工困难难粘结或焊接用做摩擦件和密封件，用在高温或强腐蚀场合(1)聚四氟乙烯(F-4)：稳定性好、耐老化“塑料王”但注意机械强度低于其他塑料，刚性也比较低。22 聚全氟乙丙烯（FEP，F–46）-[-[-CF2-CF2-]x--[-CF-CF2-]y-]-nFEP熔点环氧树脂和聚酯树脂，不耐碱腐蚀；马丁耐热度为120℃，最高为150℃（不受力）；具有较大的收缩率和气孔率；环氧-酚醛树脂使材料的耐酸、碱，耐热以及收缩率、粘结性等性能得到综合提高。58 （3）呋喃树脂分子中含有呋喃环的高聚物称为呋喃树脂。具有良好的耐酸、耐碱性能可在酸碱交替的环境中使用不耐氧化性酸和其他氧化性介质的腐蚀；耐溶剂性和耐热性较好；塑性差易脆裂；与金属的粘结能力差。59 （4）聚酯树脂聚酯：多元醇与多元酸形成的缩聚物的总称。不耐氧化性介质、易老化在碱和热酸的作用下，发生水解；成型工艺性能良好；制品致密性好。制造玻璃钢主要用不饱和聚酯。60 3.辅助材料：（1）固化剂：促进或参与树脂固化反应的物质。不同树脂有相应固化剂。环氧树脂常用胺类和酸酐，酚醛树脂常用硫酸乙酯和对苯磺酰氯，不饱和聚酯用含有双键化合物，呋喃树脂以酸作固化剂。（2）增塑剂：提高韧性，减少开裂，增加可塑性。环氧玻璃钢常用聚酰胺和聚硫橡胶，呋喃玻璃钢常用邻苯甲酸二乙酯和亚磷酸二苯酯。61 （3）填料：改善玻璃钢性能，减少树脂用量。酸性介质常用石英粉、石墨粉。碱性介质选用石墨粉、辉缘岩粉。（4）稀释剂：增加胶流流动性，提高渗透和浸润能力，利于施工。环氧酚醛，呋喃树脂常用非活性稀释剂，如无水乙醇、丙酮、甲苯及混合稀释剂（甲苯/乙醇1:1）。62 二、玻璃钢的耐蚀特性具有玻璃纤维与粘结剂性能的综合特性。1.玻璃钢的强度和使用温度力学性能的最大特点：比强度高相对密度是碳钢的1/3~1/4，比强度是碳钢的2~3倍，过高温度会使强度降低；玻璃钢的导热系数仅为钢的1/100~2/1000不适合做传热设备；热膨胀系数较树脂大为减小固化成型后尺寸比较稳定，不会因温度变化发生较大的形变。63 2.耐化学腐蚀特性：耐蚀性取决于树脂，腐蚀过程是腐蚀介质或溶剂的渗透引起树脂溶胀、溶解、水解、或受热氧化降解及热分解作用而导致的树脂结构的破坏。64 3.耐老化性能：在大气中暴晒，因对紫外线敏感而老化产生裂纹，失去光泽，发黑，但对机械强度、抗弯、抗拉、抗压、冲击性影响小，弹性模量缓慢降低。酚醛树脂老化最严重；防腐用的玻璃钢在自然环境中可使用5-7年。65 三、玻璃钢设备的结构特点1.层间结构：为保证有足够的力学性能和良好耐蚀性能，应发挥玻璃纤维和树脂功能，使玻璃钢沿断面具有不同结构层。内层:耐腐蚀层厚度：0.5~1.5mm；树脂：90%过渡层:中间防渗层厚度：2~2.5mm；胶量：50~70%增强层:承载设备负荷，厚度依设计强度；玻纤维：70%外层：提高防老化性能，外表美观厚度1~2mm；含胶量：80~90%66 内层：耐腐蚀层，作用是抗介质浸蚀，要求耐蚀、致密，一般控制较高树脂含量（70-80%）玻璃纤维采用中碱或无碱短切纤维或无捻粗纱方布格，厚度0.5-1.5mm。渡过层：中间防渗层，采用密度较疏，质地柔软的中碱无碱无捻粗纱方格布或短切玻璃纤维毡，控制胶量50-70%，厚度2-2.5mm;增强层：负荷承载层，由树脂胶液粘结多层玻璃纤维布或无捻粗纱布与短切玻璃纤维毡组成，纤维约占70%。外层：树脂胶液中加入少量填料或粘结玻璃纤维布组成，提高老化性能和外观。含胶约80-90%，厚度1-2mm。67 (1)玻璃钢的刚性比较差，弹性模量只有普通碳钢的1/5~1/10，因此，必须注意有良好的钢性设计。2.结构设计特点如贮槽类容器槽底设计成平的，直接放置在基础上或多点支撑格子式支座，支脚式支座应加厚槽底，卧式贮槽鞍形支座。68 (2)矩形贮槽在装满介质时，其侧壁的挠度不允许超过跨度的0.5%，挠度超过跨度的0.5%，必须在槽外部设加强圈。69 (3)玻璃钢管道的连接一般采用平口对接，承插式连接；斜接口。70 （4）可拆连接时，用活套法兰；整体法兰颈增强部分厚度的圆角曲率半径至少为法兰厚度的1/2。71 （5）人孔和接管孔应注意加强，或采用圆锥形接管。加强筋加强的接管连接，与加强筋顶点相连的筒体壁厚应增加。72 （6）平底贮槽底部转角处曲率半径不得小于40mm，底部适当增厚；液体注入管的设计应使液体缓慢流入；最好保持150~200mm的缓冲液层。73