非金属结构材料的耐蚀特性

1、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5-4 碳石墨5-5 玻璃钢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。课堂互动5-1 高分子材料腐蚀特性和影响因素一、溶胀 溶解渗透溶胀: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

2、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。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。二、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150200时。化学腐蚀-氧化烯烃类聚合物大分子链中，在双键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-氧化易氧化程度依次

3、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。化学腐蚀-水解 加聚反应合成的产物的主链“CC”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；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。三、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”。影响高分子材料老化的因素：老化（耐侯性）红

4、外线紫外线阳光温度湿度其他作用水分、雨雪影响老化的因素（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。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

5、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，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 （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。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

6、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。5-2 耐腐蚀高分子材料一、 硬聚氯乙烯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。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。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

7、类、碳氢化合物、有机溶剂等介质腐蚀。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。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”。硬聚氯乙烯塑料：nCH2CHCl CH2CH nCl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）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。P129表5-33.设备结构设计特点：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

8、伸强度作为计算许用应力的依据。焊缝系数0.850.95，一般取0.6 。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；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 ） ；强度低不能承受过大附加载荷； 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；利用PVC的热塑性，管道之间采用热胀承插的结构连接。二、其它塑料1. 聚丙烯塑料（PP） ：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P

9、P，可做PP换热器。线膨胀系数PP =3 线膨胀系数PVC但注意热膨胀和刚性问题。杨氏模量PP=1/8 杨氏模量PVC热膨胀和刚性问题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。聚四氟乙烯（PTFE，F-4）聚三氟氯乙烯（PCTFE，F3）聚全氟乙丙烯（FEP，F46）(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。 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

10、蚀场合(2)聚三氟乙烯(F-3)：较好耐蚀性，加工成型性优。聚三氟氯乙烯（PCTFE，F3）加工成型 CF2 - CF n性优于聚四氟乙烯Cl(3)聚全氟乙丙烯(F-46)：突出优点是熔点低加工成型性优。聚全氟乙丙烯（FEP，F46）-CF2-CF2- x - CF-CF2-y-nFEP 熔点 PTFE熔点; 加工成型性优于PTFE3.氯化聚醚塑料：结晶和大分子结构中存在醚键，耐蚀性、耐溶剂性好，但对强氧化剂不耐，也不耐氯、氟、溴腐蚀。氯化聚醚塑料热塑性塑料加工成型性优用做涂层和衬里 。4.聚苯硫醚塑料(PPS)：耐热性好，机械性能好，但耐蚀性差。聚苯硫醚塑料PPS热塑性塑料加工成型优用做耐蚀

11、和耐热的阀门、泵、密封环主要用于防腐涂层5-3 耐腐蚀无机非金属材料一、 陶瓷1.陶瓷的特性（1）陶瓷的基本概念：陶瓷：（广义）指金属氧化物、碳化物、氮化物、硼化物，即所有固态无机材料统称陶瓷。（侠义）指一切金属氧化物。以SiO2为主体的陶瓷，统称硅酸盐陶瓷。特点：溶点高、耐高温、强度 硬度高、耐氧化、耐腐蚀、高化学稳定性。陶瓷的耐蚀性的影响因素： 材料的化学成分 矿物学组成陶瓷的化学组分为各类硅酸盐 孔隙 结构类型SiO2,Al2O3耐酸 高温下材料性质的变异CaO,MgO 耐碱 腐蚀介质的性质（2）陶瓷材料的特性指标：孔隙率和吸水率不渗透性耐热冲击性能耐酸度空隙率和吸水率孔隙率：材料中空隙

12、体积与材料总体积之比。吸水率：材料吸水前后重量之差与原重量之比。 W G G 100%10G0不渗透性是材料抵抗液体或气体渗透的性能。用水或腐蚀性溶液注满压力空间，施以一定压力，在一定时间内如果试件大气侧无明显漏泄或液滴则可以认为不渗透。W：吸水率； G0：干燥件重量；G1：试件被水饱和后的重量。耐热冲击性能是反映材料承受温度剧变能力的指标。g2耐酸度K 100%表示腐蚀性。g1K：耐酸度；g1：试验前材料重量；g2：试验后材料重量。硅酸盐在酸中的腐蚀速度（除HF和高温H3PO4外） ：与酸的种类无关，主要取决于酸的解离度和黏度解离度、黏度，腐蚀作用SiC及Si3N4 也会被HF和H3PO4腐

13、蚀（3）化工陶瓷的应用：主要成分60%-70%SiO2和20%-30%Al2O3少量K2O和Na2O等，具有优良耐腐蚀性，能耐除氢氟酸、硅氟酸、热磷酸及浓碱外任何化工介质。可作塔器、贮槽、泵、风机、悬塞、管、管件、衬里材料。2.设备结构设计特点化工陶瓷强度低，适于制作常压、低压设备。为保证坯体干燥，烧成过程中能自由伸缩，容器壳体设计成圆筒形、球形，器壁不能过薄，直径不大于1.2m，高度不超过1.5m。设备的底 盖：为介质易排净，底设计成蝶形、半球形、平底，底与筒体连接内外转角半径大于壁厚的1/3，顶盖采用蝶形、椭圆形或半球形。平底的厚度；内外转角的半径设备的支座：尽可能设计成裙式支座，四周开设

14、透气孔，还可用凸圈式支承。滤板：抗压强度远大于抗拉强度，滤板设计成拱形。连接结构：设备接管、管道、塔节间连接采用承插结构或金属活套法兰连接（内压设备） 。输送热介质的管道：设置补偿装置。二、其他硅酸盐材料1.玻璃普通玻璃：主要成分是SiO2和碱金属氧化物（K2O，Na2O），化学稳定性和热稳定性较差。石英玻璃：主要成分是高纯SiO2，线膨胀系数极小，耐热性极高，具有良好耐蚀性，但熔制困难，成本高。主要用于制作实验室仪器、高纯物料提纯设备。高硅氧玻璃：含有95% SiO2，线性膨胀系数小耐热性高，良好耐蚀性，制作工艺和成本高于普通玻璃低于石英玻璃。是石英玻璃的替代品。硼硅酸盐玻璃：含有79% S

15、iO2，12%-14%B2O3,少量Al2O3和Na2O，耐热、硬质、耐蚀、制作工艺性能好。用于制作实验室玻璃仪器、蒸馏塔、吸收塔、泵、换热器、管道、法兰、阀门等。2.花岗岩是天然石材，含70%-75% SiO2，15%左右Al2O3和10%左右碱金属氧化物（K2O，Na2O）。主要矿相是长石和石英，少量矿相是云母和磁铁矿，质地致密，耐蚀。(7075% SiO2+ 15% Al2O3+ 10%(K2O、Na2O)用于修筑：盐酸、硝酸的处理槽、贮槽、吸收塔、电解池产地不同的花岗岩，性能差异较大制造碘、溴的装置砌做耐酸的地坪、沟槽和基底等3.铸石是玄武岩、辉绿岩及工业渣配料溶化，铸成人工石材，含约

16、50% SiO2，15%左右 Al2O3其余是碱金属和铁氧化物。耐酸、耐碱、耐磨、施工方便。(50% SiO2+ 15% Al2O3+ 35%(碱金属和铁氧化物)使用范围与花岗岩类似，衬砌施工比花岗岩方便铸石具有极高的耐磨性5-4 碳石墨无定形碳和石墨的成品统称为碳素材料碳素材料是一种重要的工程材料具有一系列优良的物理，化学性能，耐磨、耐蚀的特点；应用：冶金、机电、化工、原子能和航空等工业部门。一、碳石墨制品制造1.天然石墨：是含有大量有机质的沉积碳或煤层、含碳气体，在地壳中受高温、高压作用，逐渐经热力变质而成的，是一种非金属矿物，呈黑色或刚灰色，形状呈鳞片或叶片状，纯度低，组织松散发滑。2.

17、人工石墨：以无烟煤、焦炭、石油焦、沥青等为主要原料，经粉碎、筛分、成型、煅烧及石墨化等工艺过程制的产品。生产流程：无烟煤、焦炭、石油焦压制石墨浇铸石墨填塞孔隙合成树脂、水玻璃、低熔点金属3. 不透性石墨：碳石墨经浸渍剂合成树脂、水玻璃或低熔点金属浸渍填塞孔隙制成不透性石墨。浸渍石墨的机械强度显著提高，导热性和热膨 系数变化不大二、 碳石墨性能与应用1. 性能（1）优良的化学稳定性能：对大部分酸、碱、盐、有机化合物介质都是稳定的，在强氧化剂中发生膨胀软化而破坏;（2）优良的导热性能：石墨化程度越高，其传热性能越强;（3）热膨胀系数小 优良耐热冲击性能：操作时温度波动不会炸裂；压制和浇注石墨导热性

18、下降，热膨胀系数提高（4）优良的自润滑特性：作减磨材料。2. 应用：主要利用石墨耐腐蚀性，耐磨性。制备热交换器、膜式吸收塔、盐酸合成炉、塔设备（板式塔、填料塔）及流体输送设备（离心泵、管子、旋塞）。化工机械上作密封环、滑动轴承。不透性石墨：在盐酸、氯碱、次氯酸钠、磷酸、醋酸以及农药的生产中作热交换器（列管式、喷淋式、块孔式、板室式）吸收塔盐酸合成炉离心泵管子、管件旋塞等密封环和滑动轴承三、新型碳素材料 1. 膨胀石墨：天然鳞片石墨，净化，酸洗，水洗，加热炉中在1000左右下分解，气化，模压，辊压，冲压成制品。制品质地柔软，高稳定性耐蚀，热导性好，可压缩回弹性好。膨胀石墨(柔性石墨、可挠性石墨）

19、：高优良的热稳定性 特别适用于陶瓷、玻璃设备或接管法兰面的密封导热率（各向异性） 广泛用做阀门、泵、压耐蚀力容器、热交换器的密封材料可压缩性及隔热保温材料。回弹性2. 碳纤维及复合材料碳纤维：天然或人造纤维在一定条件下经过加工和碳化而成。耐热、耐腐蚀、低导热性，常将碳纤维织成碳布、碳毡作感应炉、电阻炉热屏蔽材料。具有良好密封性，寿命长，常作填料密封。碳纤维复合材料：碳纤维/树脂、碳纤维/金属、碳纤维/碳，高比强度、高比刚度、耐蚀。用作化工机械高速回转件，如离心机转鼓、泵的叶轮。碳纤维/树脂应用最多。碳纤维及复合材料弥补了普通C素材料的弱点（脆性），具有很高的比强度、比刚度；C纤维导热性低，用做

20、感应炉或电阻炉的热屏蔽材料；石墨化纤维导热率较高，可做为发热元件（真空、惰性气体中：2500）；石墨纱经四氟乙烯浸渍，作为输送腐蚀介质的化工泵的填料密封，密封性好，使用寿命长。4. 石墨设备结构特点石墨材料不能焊接、易机械加工，多采用胶结组合大多采用平板、块、管、条等进行粘结组合；多层板胶结时，胶结缝要错开（60）；接管与筒体的连接通常也用胶结的方法；有时采用螺纹（螺纹牙）与胶粘剂并用的连接结构；筒体与筒体的连接通常也用胶结的方法； 管子与管板连接采用锥形胶粘结构；设备或管道彼此间采用凸缘活套法兰、顶盖采用 平面法兰；块孔式石墨换热器，因石墨不能焊用机械加工结构；石墨材料不能焊接、易机械加工与

21、金属组合制造设备，应考虑其不同的热膨胀系数的影响，采用热补偿结构。浮头式列管换热器的热补偿结构石墨与金属材料组合设备，要考虑热膨胀系数的影响5-5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性玻璃钢：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。轻质高强，耐蚀性优，耐热性好，线膨胀系数小，成型加工性好等特点，应用广泛。性能与玻璃纤维及树脂的种类、组成相的比例、组成相之间的结合强度有关玻璃钢制品一、组成1. 玻璃纤维：玻璃钢的骨架。是将玻璃球置于电热白金坩埚中，高温加热至熔融，通过坩埚底部许多小孔流出，经高速机械拉引而成直径小于10的纤维。纤维束经浸润剂粘接成

22、原纱，再根据需要制成捻纱或无捻纱制品。玻璃纤维分两类：（1）无碱玻璃纤维 低碱硼硅玻璃：含碱低于0.5%，强度高，作增补材料；（2）有碱玻璃纤维：含碱量为8-15%钠钙玻璃，耐火、耐风、电绝缘及机械强度差，但成本低。2. 合成树脂：影响玻璃钢物理、化学性能。常用的热固树脂有环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、其作用是将玻璃纤维粘接为一个整体，起传递载荷和防渗透作用，赋予玻璃钢各种优良综合性能，如良好耐腐性，电绝缘性，施工工艺性等。玻璃钢常用树脂的耐蚀特性（1）环氧树脂凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。环氧基粘接性能优异；环氧固化物具有优良的化学稳定性；固化收缩率小（一般环氧树脂和

23、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。（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。（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。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

24、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。（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）。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。力学性能的最大特点：比强度高过高温度会使强度降低；1. 玻璃钢的强度和使用温度相对密度是碳钢的1/31/4， 比强度是碳钢的23倍， 玻璃钢的导热系数仅为钢的1/1002/1000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。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。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，