第六章非金属材料的耐蚀性能

第六章非金属材料的耐腐蚀性能一般特点防腐蚀涂料塑料玻璃钢橡胶硅酸盐材料不透性石墨第一节一般特点密度小，机械强度低导热性差原料来源丰富，价格低廉优越的耐蚀性能第二节防腐涂料一涂料的种类和组成涂料的种类油基树脂基按工艺底涂中涂面涂涂料的组成成膜物质次要成膜物质辅助成膜物质成膜物质油料次要成膜物质颜料辅助成膜物质对成膜的过程起辅助作用二常用的防腐蚀涂料（一）氯磺化聚乙烯涂料（二）高氯化聚乙烯涂料防腐、防水、耐火、耐油性好具有阻燃防霉功能装饰性优良物理力学性能好施工性能应用面广（三）环氧树脂涂料（四）酚醛树脂涂料（五）呋喃树脂涂料（六）改性树脂涂料环氧树脂涂料酚醛树脂涂料呋喃树脂涂料三重防腐涂料（一）富锌涂料（二）厚浆型耐蚀涂料（三）玻璃鳞片涂料玻璃鳞片涂料一、硬聚氯乙烯塑料1、硬聚氯乙烯的耐蚀性聚氯乙烯树脂是由氯乙烯单体，聚合而成的热塑性高聚物。以聚氯乙烯树脂为主要原料+增塑剂+稳定剂+填料+润滑剂+颜料等→经捏合→混炼→成型加工→聚氯乙烯塑料。通常：

100份树脂+30~70份增塑剂的塑料（质地柔软）称软聚氯乙烯塑料；不加或加少量增塑剂(不超过5份)的称硬聚氯乙烯塑料。第三节塑料1、硬聚氯乙烯的耐蚀性在化工生产中，前者大多用作设备衬里，后者可作为独立的结构材料。在低于50℃下耐腐蚀性能优于酚醛塑料、聚苯乙烯、有机玻璃等塑料；除了强氧化剂(如浓度>50％的硝酸、发烟硫酸等)、芳香族、氯代碳化合物(如苯、甲苯、氯苯等)及酮外，能耐大部分酸、碱、盐类、碳氢化合物、有机溶剂等介质的腐蚀。1、硬聚氯乙烯的耐蚀性在大多数情况下，硬聚氯乙烯对中等浓度的酸、碱介质的耐蚀性最好。影响聚氯乙烯耐蚀性能的因素很多，其中对温度和应力最敏感，温度和内应力越大，腐蚀速度亦越快。聚氯乙烯的腐蚀除了在某些介质中会发生溶解，焦化等明显的破坏以外，一般很难直接评定耐蚀或不耐蚀。聚氯乙烯与强氧化性介质接触会被氧化。1、硬聚氯乙烯的耐蚀性聚氯乙烯在光、加热或机械作用下易发生脱氯化氢反应，导致聚合物裂解和交联。其氧化产物还会进一步发生降解和交联反应，使聚合物变硬、变脆，亦即发生“老化”。聚氯乙烯的老化，将直接影响制品的使用寿命。

必须特别指出的是硬聚氯乙烯塑料焊缝的耐老化性能很差，经介质作用后表面的可焊性大多降低，焊接时不易变软也不发粘，焊缝两边发黑，焊接强度很低，如果磨去腐蚀表面，则又能恢复可焊性，因此修补硬聚氯乙烯设备时应注意这一点。2、常用硬聚氯乙烯耐腐蚀部件和设备广泛用来制作贮槽、塔设备、电除雾器、离心泵、风机、管道、管件及阀门等。用得最多的是硝酸、盐酸、硫酸和氯碱生产系统。另外，将聚氯乙烯制成纤维布，不仅有良好的耐酸、碱性能，且成本低廉，工业上常用作滤布。二、硬聚氯乙烯设备结构设计特点三、其他塑料1、聚丙烯塑料聚丙烯(PP)的耐蚀性优于硬聚氯乙烯，具有很好的耐蚀性，除了强氧化剂外，可以耐受100℃以下几乎所有的酸、碱、盐，例如70％的硫酸、硝酸，磷酸、各种浓度盐酸、40％氢氧化钠。对强氧化剂例如发烟硫酸、浓硝酸等在室温下就不能使用。2、氟塑料氟塑料是含有氟原子的塑料总称，主要包括：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯等，氟塑料大分子中的氟原子使它们具有优良的耐蚀性、耐热性、自润滑性和电性能。1、聚丙烯塑料聚丙烯耐溶剂性也优于硬聚氯乙烯，几乎所有的溶剂在室温下都难以溶解聚丙烯，聚丙烯可以耐受稀醋酸、甲酸等介质的腐蚀。聚丙烯可以采用热塑性塑料的成型加工方法，可以焊接。设计和使用聚丙烯设备时应当注意热膨胀和刚性问题。2、氟塑料

(1)聚四氟乙烯(PTFE，简称F-4)：具有非常高的化学惰性、优良的耐蚀性和耐热性。在250℃时能长期使用，耐受各种强氧化剂如王水、发烟硫酸、浓硝酸等和其他各种酸、碱、盐，有机物中除了某些卤化胺或芳香烃使聚四氟乙烯发生轻微溶胀而外，能耐受其他各种溶剂。只有在高温和一定压力下，熔融碱金属、元素氟和三氟化氯对聚四氟乙烯能起作用；另外，聚四氟乙烯的耐老化性极好，因此有“塑料王”的美称。2、氟塑料

(1)聚四氟乙烯(PTFE，简称F-4)：工程上常用聚四氟乙烯做摩擦件和密封件。如自润滑耐磨轴承，高压压缩机的活塞环，冷冻机、气体压缩机，耐酸泵等无油润滑密封件。及泵、阀门、膨胀节、热交换器、多孔板材及强腐蚀介质的过滤材料，化工设备的衬里和涂层等等。(2)聚三氟氯乙烯(PCTFE。简称F-3)：耐蚀性次于聚四氟乙烯。加工成型性优于聚四氟乙烯，可以采用热塑性塑料的成型方法。聚三氟氯乙烯在耐蚀设备上的应用与聚四氟乙烯类似。

(3)聚全氟乙丙烯(FEP，简称F-46)：聚全氟乙丙烯实际上是一种改性聚四氟乙烯，因此，除了耐热性稍次于聚四氟乙烯外(优于聚三氟氯乙烯)，其他性能与聚四氟乙烯几乎相同，具有极高的耐蚀性等，150℃以下的耐蚀性可以与聚四氟乙烯媲美。3、氯化聚醚塑料氯化聚醚由于结晶和大分子结构中存在醚键，使之具有较高的耐蚀性，能够耐受大多数无机酸、碱、盐的腐蚀，在室温下可以几乎耐受任何溶剂；但对强氧化剂例如浓硫酸、浓硝酸等在室温下就不能使用，也不耐受液氯、氟、溴的腐蚀，较高温度的芳香烃、氯代烃、酮、酯可以使之溶胀。氯化聚醚可以采用热塑性塑料的加工成型方法，用于涂层和衬里是它在防腐蚀工程中的主要方式。4．聚苯硫醚塑料聚苯硫醚(PPS)的耐热性与聚四氟乙烯相当，可以在250℃的高温长期使用，但是耐蚀性远不如聚四氟乙烯。聚苯硫醚可以采用热塑性塑料的加工成型方法，制作耐蚀和耐热的阀门、泵、密封环等等，目前国内在化工设备中主要用于防腐蚀涂层。第六节耐腐蚀无机非金属材料一、陶瓷的耐蚀性和特性指标1、陶瓷的耐蚀性陶瓷材料有良好的耐蚀性，它们在腐蚀性介质中的腐蚀属于化学作用或伴随着物理机械作用而引起的破坏；其耐蚀能力与材料的化学成分、矿物学组成、孔隙、结构类型(无定形或结晶形式高温下材料性质的变异以及腐蚀介质的性质等有关。1、陶瓷的耐蚀性常用化工陶瓷(包括玻璃、搪瓷)的化学组成主要是各类硅酸盐。含有大量SiO2(以游离态或结合态的硅酸盐形式存在)和Al2O3均属于耐酸材料。含有大量碱性氧化物(如CaO、MgO等)的材料，例如一般建筑用的硅酸盐水泥、石灰石等为耐碱材料。一般SiO2的含量愈大，其耐酸性愈高，当SiO2含量小于55％时，材料就不耐蚀了。但材料的结构及矿物组成对其耐蚀性的影响与化学成分有着同等重要的作用。1、陶瓷的耐蚀性硅酸盐材料对于大多数无机酸都很稳定，但不耐氢氟酸、300℃以上的磷酸、苛性碱溶液，因为在这些介质中，SiO2都要溶解。结晶的SiO2(石英)却有较好的抗碱能力。陶瓷中的SiO2受氢氟酸或者氟化物作用，可以生成挥发性的氟化物SiO2+4HF→SiF+2H2O。与碱作用生成可溶性硅酸盐SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O。硅酸盐材料中另一主要组分Al2O3，当在游离状态或与SiO2结合的某些化合物状态(如高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O)时，容易被无机酸和碱溶液溶解。但经高温煅烧后的结晶型Al2O3，能够抵抗较高温度下的酸或碱的腐蚀作用。1、陶瓷的耐蚀性孔隙的存在会使材料耐蚀性降低，这是因为材料受腐蚀介质作用的面积增大了。若在孔隙中生成不溶性的腐蚀产物，则能阻滞介质进一步对材料的腐蚀作用，如水玻璃耐酸胶泥的酸化处理就是一例。除氢氟酸与高温磷酸外，硅酸盐材料在酸中的腐蚀速度几乎与酸的种类无关，而主要取决于酸的电离度和粘度。当升高温度或降低浓度都会使介质的离解度增大、粘度减小，从而加速了腐蚀作用。1、陶瓷的耐蚀性典型的工程陶瓷SiC及Si3N4对HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4等酸性介质具有良好的耐蚀性，同样也会被HF和NaOH腐蚀，其原因主要是SiC及Si3N4烧结体中的少量SiO2，优先沿晶界被腐蚀掉。2、陶瓷材料的特性指标评定陶瓷材料优劣的主要性能指标有机械强度、物理性能、孔隙率和化学稳定性等。

(1)孔隙率和吸水率。

(2)不渗透性。

(3)耐热冲击性能。

(4)耐酸度。3、化工陶瓷的应用除了氢氟酸、硅氟酸、热的磷酸和浓碱外，几乎能耐任何化工介质，包括热浓硝酸、硫酸、盐酸、王水、盐溶液和有机溶剂等。化工生产中，化工陶瓷主要用来制造接触强腐蚀介质的塔器、贮槽、泵、风机以及旋塞、管道、管件等等。使用中常常作为防腐蚀衬里材料。二、陶瓷设备结构设计特点陶瓷材料的力学性能随着晶体结构的组成、分布以及气孔率的不同，数据很分散，在选用一些手册上的数据时要慎重处理。目前大多只是用来制作常压或压力较低的设备。三、其他硅酸盐材料1、玻璃化工中使用的是石英玻璃、高硅氧玻璃和硼硅酸盐玻璃。石英玻璃：除了氢氟酸和热磷酸外，在任何温度下可以耐受任何浓度的无机酸和有机酸的腐蚀，因此石英玻璃是优良的耐酸材料。石英玻璃对碱性介质会生成可溶性硅酸盐，耐蚀性能不好，因此不能用于强碱介质。1、玻璃高硅氧玻璃：含有95％SiO2，具有与石英玻璃相似的良联耐蚀性。制作工艺和成本高于普通玻璃，但低于石英玻璃，因此是石英玻璃优良的替代品。硼硅酸盐玻璃：通常又称为耐热玻璃或硬质玻璃。具有与石英玻璃相似的良好耐蚀性。它是目前主要使用的化工玻璃，用于制作实验室玻璃仪器，化工中制作蒸馏塔、吸收塔、泵、换热器和管道、法兰、阀门等等，尤其是在盐酸、氯气和某些有机介质，例如苯酚、氯化苯、冰醋酸、农药生产中使用。2、花岗石花岗岩在浓的硫酸、硝酸和盐酸中具有良好耐蚀性，耐碱性也较好，但不耐氢氟酸和高温磷酸的侵蚀。花岗石在化工防腐蚀中常常用于修筑盐酸、硝酸的处理槽、贮槽、吸收塔、电解池以及制造碘、溴的装置，并可砌作耐酸的地坪、沟槽和基底等等。3、铸石铸石是用玄武岩、辉绿岩及某些工业渣进行配料熔化、铸造成型的人工石材。其中含有约50％的SiO2和15％左右的A12O3，其余是碱金属和铁氧化物。铸石在浓的硫酸、硝酸和盐酸中有高度的稳定性，耐碱性也很好，但不耐氢氟酸和高温磷酸的侵蚀；铸石还具有极高的耐磨性，可以承受剧烈的磨损。铸石的使用范围与花岗石类似，但由于铸石可铸造制备为型材(例如板、管、异型材等)，因此衬砌施工比花岗石方便。第七节碳-石墨用作化工设备的不透性石墨，主要利用了石墨的高导热性和耐腐蚀的特性；化工机械零件所用的碳制品是利用了碳素材料的耐磨和耐蚀的特点。一、碳-石墨制品的制造碳-石墨制品是以无烟煤、焦炭或石油焦为原料，粉碎后加煤焦油及沥青混捏，经挤压或压模成型后，于电炉中隔绝空气焙烧。在800～1300℃下焙烧约200～250h左右得到的是无定形碳材料。如果再于2400～2800℃高温下焙烧60～70h，使碳晶体化(一般称石墨化处理)最后获得石墨。一、碳-石墨制品的制造还有一种天然石墨是由含大量有机质的沉积岩或煤层、含碳气体，在地壳中受一定的高温和压力作用，逐步经热力变质而形成的。碳-石墨的孔隙一般采用浸渍方法填塞。它是将已经成型(板材、块材、管材等)的碳-石墨浸于浸渍剂中，使浸渍剂渗入碳-石墨孔隙，经热处理固化而成为不透性。常用的浸渍剂有合成树脂、水玻璃、低熔点金属。一、碳-石墨制品的制造直接用石墨粉和粘结剂混合后，经压制或浇注成型再固化得到的压型不透性石墨和浇注石墨制品。压型石墨制造的热交换器管子、管件、管板、泡罩、密封环等零件，与浸渍类石墨比较，虽然制造方法简单、成本低，但机械强度较低，导热性有所下降。浇注石墨主要用于制造形状比较复杂的制品，如管件、泵壳等等。为了保证浇注时具有良好的流动性，树脂含量一般均在50％以上，因此制品的导热性差；亦较脆，日前工业上用得不多。二、碳-石墨的性能与应用1、碳-石墨的性能碳是化学惰性元素，所以碳-石墨材料除了强氧化性酸如硝酸、铬酸、发烟硫酸和溴、氟外，对其他各种酸、碱、盐和有机化合物具有很高的化学稳定性。在强氧化剂中会发生膨胀、软化而破坏。1、碳-石墨的性能在高温的空气中(>450℃)，空气里的氧亦会渗入石墨的平行层之间，破坏了晶格，形成近似的组成为C3O的化合物。所以石墨在空气中的最高允许使用温度为400℃，但在还原性或中性气氛里，即使达到3000℃也是稳定的。经过浸渍处理的不透性碳-石墨，由于填密了孔隙，机械强度有显著的提高。而化学稳定性与耐热性则是碳-石墨和浸渍材料两者的综合反映。2、碳-石墨的应用不透性石墨在盐酸、氯碱生产中应用最多，也用于次氯酸钠、磷酸、醋酸以及农药生产中。不透性石墨常用来制造热交换器、吸收塔、盐酸合成炉、离心泵、管子、管件和旋塞等。其中以热交换器的应用最广，石墨热交换器有列管式、喷淋式、块孔式、板室式等多种。四、不透性石墨设备结构特点第四节树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性玻璃纤维(或玻璃纤维布)与热固性树脂组成的树脂基复合材料称为玻璃纤维热固性增强塑料，俗称玻璃钢。1、环氧树脂环氧树脂化学性能很稳定，能耐酸和大部分有机溶剂。同时由于其结构中含有脂肪旗羟基不会与碱作用，所以它的耐碱性比酚醛、聚酯树脂强，但抗氧化性酸的能力差。1、环氧树脂环氧树脂的固化过程是环氧树脂和固化剂直接起加成反应，环氧树脂的马丁耐热度在105～130℃，故工程上的使用温度可达100℃，但在较高浓度的酸、碱作用下其使用温度大大降低。由于环氧树脂在常温下有较好的流动性，易与其他助剂混合，施工操作比较方便，所以是制造玻璃钢设备用得最多的一种树脂。2、酚醛树脂防腐工程中应用的酚醛树脂属于热固性树脂，它是在碱性催化剂作用下，甲醛过量而制得的缩聚物。固化后的酚醛树脂在非氧化性酸中，比环氧树脂和聚酯树脂更耐蚀，如在50％以下的硫酸和各种浓度的盐酸中非常稳定，但在氧化性酸中会发生氧化而不耐蚀。在碱性介质中亦不耐蚀，它能与碱作用生成可溶性的酚钠。2、酚醛树脂酚醛树脂在固化过程中有挥发物和水分逸出，不仅增加了气孔率，且有较大收缩率。采用环氧树脂改性的复合树脂，即环氧-酚醛树脂，可以使耐酸、耐碱、耐热以及收缩率、粘结等性能得到综合地提高。环氧-酚醛树脂常用于制作玻璃钢泵、阀门等模压制品。3、呋喃树脂分子结构中含有呋喃环的高聚物称为呋喃树脂。通常由糠醇单体或糠醛-丙酮、糠醛-丙酮-甲醛在催化剂作用下缩聚而成。呋喃树脂有良好的耐酸、耐碱性能，可在酸、碱交替的环境中使用。由于分子中还残留一部分双键，易被氧化剂氧化，故它不抗氧化性酸和其他氧化性介质。固化后的呋喃树脂与金属表面的粘结力差。为了克服呋喃树脂的缺点，工业上常采用环氧-呋喃、酚醛-呋喃或环氧-酚醛-呋喃的复合树脂，以获得良好的综合性能。4、聚酯树脂聚酯是多元醇与多元酸形成的缩聚物的总称。不饱和聚酯树脂不耐氧化性介质，易老化，在碱或热酸作用下，会发生水解反应而破坏，因此化工防腐中应用受到一定限制。但它具有良好的成型工艺性能，大多可以在常温下施工，且固化过程中无挥发物逸出，制品致密性较高。故汽车、造船工业中广泛用于制作车身和船体等。第四节玻璃钢的耐蚀特性1、玻璃钢的强度和使用温度玻璃钢的性能是玻璃纤维与粘结剂性能的综合体现，因此两者不同的选配将得到不同性能的玻璃钢制品。玻璃钢力学性能的最大特点就是比强度高，其相对密度为1.4～2.2，仅为碳钢的1／3～1／4，而比强度(抗拉强度／相对密度)