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篇1
談無機化工生產中腐蝕性對材料選擇的影響
目前，無機化工生產過程中介質對生產裝置的腐蝕問題日益突出，嚴重影響了無機化工產業的正常生產，甚至造成了嚴重的安全事故，不利於無機化工行業的可持續發展。因此，必須加強對腐蝕性的分析和研究，根據不同的生產工藝，選擇不同的防腐材料，以實現企業經濟效益的最大化。
1 無機化工生產過程中發生的腐蝕情況分析
目前在無機化工生產過程中，由於介質條件的不同以及使用的溶液大多數為腐蝕性極強的多元混合溶液，在流速、濃度、溫度以及壓力等不同條件的共同作用下，生產裝置極易發生腐蝕問題，並且不同的耐腐蝕材料形成的腐蝕型別也不相同，主要分為均勻腐蝕、石墨化腐蝕以及磨損腐蝕，具體如下：
1.1 均勻腐蝕 均勻腐蝕是電化學腐蝕的基本形態，也是無機化工生產裝置最為常見的一種腐蝕形態。均勻腐蝕主要是完全暴露在介質的表面並進行均勻腐蝕，導致金屬均勻變薄，重量逐漸變輕，直至最後出現破壞性結構。
1.2 石墨化腐蝕 石墨化腐蝕主要發生在鑄鐵生產過程中，石墨以網狀形態存在於鐵素體內，在鹽水、礦物質水、稀釋酸性水以及酸性溶液等介質中，鐵素體發生選擇性腐蝕。石墨化腐蝕會增加整個裝置的重量，受到外界自然環境的作用下外部鐵鏽發生脫落現象，對裝置產生結構性破壞。
1.3 磨損腐蝕 磨損腐蝕的發生主要是因為金屬表面和腐蝕流體之間的相對運動，加速金屬的破壞，其是腐蝕、磨損、化學作用以及機械作用共同或交替進行的結果。磨損腐蝕會使整個結構表面產生細小的裂縫和孔洞，相較於單一的腐蝕過程此種腐蝕程度更為激烈。
2 不同型別的材料在無機化工生產中的使用
上述幾種腐蝕形式在無機化工生產過程中經常發生，並且對生產產生了極大的影響，因此，化工行業有必要針對現存的腐蝕問題，加快鈦材料、不鏽鋼材料、非金屬材料以及各種防腐技術的引用和研發。
2.1 鈦材料在無機化工生產中的應用
鈦是輕金屬並且容易和氧、氫、氮、碳等元素髮生反應形成穩定的化合物，具有質輕、高強度等優勢，已在國外化工生產中得到了廣泛的應用。鈦的平衡電位E=-1.63v***SCE***表明鈦的化學性質很活潑，但鈦具有較強的自鈍能力並且穩定性較高，在受到機械損傷後具有快速的自修復能力，尤其是在含有強烈破壞鈍化膜的CI-溶液中也表現出較好的抗點蝕能力。因此，鈦材料具有的優良效能使之在無機化工生產裝置中得到了廣泛的使用，與以往使用碳鋼製作的冷凝器裝置相比，鈦材裝置使用的壽命可長達10年以上，具有顯著的優勢。此外，閥門是無機化工生產的重要的裝置，主要有截止閥、閘閥、漿液閥、球閥以及旋塞等，使用的材質有不鏽鋼、鈦以及鑄鐵。根據實際的使用情況分析資料顯示，膠膜閥和鑄鐵閥的使用壽命通常只有3個月，鑄鐵閥門中的鑄鐵材質耐腐蝕性較低並且鑄鐵的重量較大，使化工生產裝置經常發生洩漏問題，不利於無機化工的穩定、有序生產。而鈦材質的閥門表現出了較強的內腐蝕性和防沖刷效能，使用壽命可達20年，提供了化工生產的穩定性。
近年來，鈦材料已應用在無機化工生產的技術改造及新裝置的製造中，例如無機化工生產使用的塔內冷卻管、熱換器管或板、泵葉以及儀表等裝置的重要部件。從目前鈦材料在化工生產裝置中的應用情況來看，已相對成熟，由鈦材料製成的靜止裝置或是傳動裝置在腐蝕介質或是腐蝕、沖刷兼有的介質中都表現出了較長的使用壽命，為化工生產企業帶來了較高的經濟效益和社會效益。
2.2 不鏽鋼材料在無機化工生產中的應用
2.2.1 奧氏體不鏽鋼 不鏽鋼材料在無機化工生產中的使用主要以奧氏體不鏽鋼和奧氏體-鐵素體雙相不鏽鋼為主，其中奧氏體不鏽鋼又以含有鉬的00MO5不鏽鋼、高鎳鉬904L不鏽鋼以及316L不鏽鋼為主，00MO5不鏽鋼具有優良的抗孔蝕和縫隙腐蝕能力，主要用於塔裝置冷卻管的製作，也可以用於接觸海水介質的冷卻小管，但由於其標準不一致，限制了此種不鏽鋼材料的使用和推廣;904L不鏽鋼的鉻鎳及MO含量很高，具有比00MO5還高的耐全面腐蝕性，同時還具有抗點蝕能力及冷熱加工效能;316L不鏽鋼主要在裝置、管道以及儀表等上面使用。
2.2.2 雙相不鏽鋼 雙相不鏽鋼主要以3RE60和CD4MCU鑄造不鏽鋼為主。我國將此種材料應用在蒸發、吸收等裝置的重要部位，雙相不鏽鋼具有較好的抗晶間腐蝕的能力，其耐氯化物應力腐蝕效能只有在低應力下才會凸顯優越性。
2.3 非金屬材料在無機化工生產中的應用
2.3.1 工程塑料 耐蝕塑料主要分為熱塑性與熱固性兩類，其中熱塑性塑料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、氯化聚醚、聚苯硫醚等，這些熱塑性塑料具有優良的耐腐蝕效能;熱固性的樹脂包括樹脂有環氧、酚醛、聚酯、呋喃四大類，由於這些材料的剛度與強度較差，在用於化工裝置的製造時需通過纖維來增強其剛度和強度。耐蝕塑料主要用於管道、通用裝置、槽罐、熱換器、泵、閥等化工裝置的製造中。
2.3.2 玻璃鋼 玻璃鋼是一種纖維增強高分子材料，經合成樹脂為粘合劑並以玻璃纖維為增強材料的新型複合結構材料，具有高強、輕質、耐蝕以及優良的耐熱效能。耐蝕玻璃鋼製品主要有儲罐、槽車、耐蝕風機以及管道等，另外玻璃鋼還可以替代鋼結構製作裝置平臺、梯子、電纜橋架等，雖然一次性的投入成本較大，但能夠有效節約採用鋼結構帶來的週期性防腐費用。需要注意的是選用玻璃鋼時要對粘合劑品種及其配製進行分析，以保障玻璃鋼的耐腐蝕效能。
3 結束語
通過本文上述內容的分析，我們可以看出腐蝕問題是無機化工生產過程中需要重點解決的問題。在科學技術不斷進步的今天，化工行業應加快防腐材料和技術的研發和使用，提高化工生產裝置的防腐蝕效能，有效保障化工生產的安全、穩定，促進化工行業的健康發展。
篇2
試談VARTM製備麻纖維增強環氧樹脂複合材料
麻纖維是一種天然植物纖維，具有價格低廉、可生物降解、優良的力學效能等優點.相比於合成纖維，天然麻纖維具有更好的吸能效果，能製造出高效能的複合材料，可廣泛地應用於汽車製造工業[1-2].
麻纖維種類較多，常見的麻纖維有苧麻[3]、黃麻、亞麻等.黃麻是最廉價的天然纖維之一，黃麻纖維纖維素質量分數約為57%～60%，單纖細度為15～18 μm，單纖長度為1.5～5 mm，因為單纖維短且長度參差不齊，故無法單纖維紡紗.黃麻纖維具有不規則的多邊形混合截面，吸溼性和透溼性較苧麻要高2%～4.5%.其生物分解性好，初始彈性模量高，不起球，抗菌能力優異，生產成本低，因此具有很好的市場應用前景.
湖南大學學報***自然科學版***2015年第12期李偉等：VARTM製備麻纖維增強環氧樹脂複合材料研究麻纖維由纖維素、半纖維素、木質素、果膠和脂肪蠟質組成，不同麻纖維組成有差別.麻纖維的主要成分為纖維素，纖維素分子結構中含有大量的羥基，故麻纖維表面極性較大，表現出強的親水性，容易從空氣中吸收水份，導致麻纖維與基體材料的介面結合不佳.而且天然麻纖維的大分子結晶度和取向度高，纖維外表面粗硬、無捲曲且勾結強度低.所以將麻纖維作為樹脂基複合材料的增強材料時，一般需要對麻纖維進行表面改性處理[1，3-5]. 目前麻纖維的表面改性處理主要有熱處理、鹼液處理[6]、矽烷偶聯劑處理[7]、異氰酸酯處理[8]、等離子體處理[9]等方式.通過表面改性可提高麻纖維的介面效能，改善纖維與基體樹脂的潤溼性，使複合材料力學效能顯著提升[10].將改性麻纖維用於樹脂基複合材料的增強材料時可以獲得綜合性能優良的樹脂基複合材料[11].
環氧樹脂是製造樹脂基複合材料的一種常用的基體樹脂，最常見的複合材料是玻璃纖維增強環氧樹脂基複合材料***玻璃鋼***.雖然環氧樹脂在樹脂基複合材料中的使用成史已經比較悠久，但是對環氧樹脂基複合材料的研究仍然是當今的熱點[12].作為一種基體樹脂，環氧樹脂具有種類繁多、容易滿足設計需求的優點，但也存在不導電、性脆等缺點，在製備環氧樹脂基複合材料時，有時也需要對樹脂進行改性，從而獲得其優異的效能[13].
真空輔助樹脂傳遞模塑***VARTM***成型工藝是先進複合材料製造技術的主要發展方向之一，現已廣泛應用於船艦、航空、航天、汽車等領域.VARTM工藝是先將增強材料放置於模腔中，然後合模、抽真空排除模腔中的氣體，再在一定的溫度和壓力下將液態樹脂注入模腔內，使之與增強纖維充分潤溼，在一定溫度下固化、後固化，最後經脫模得到複合材料製品.
本文以環氧樹脂為基體，可生物降解的黃麻纖維作為增強材料，通過改變傳統的工藝路線，增加對黃麻纖維布進行熱壓工藝處理，該工藝不僅可以提高複合材料中麻纖維的體積分數，而且對改善複合材料的力學效能有明顯的效果，採用VARTM工藝製備麻纖維增強環氧樹脂複合材料並進行了系統研究.
1實驗過程
1.1黃麻纖維表面處理
熱處理是將黃麻纖維放入鼓風乾燥箱中，分別在120 ℃，150 ℃和180 ℃下處理4 h，將麻纖維取出後置於真空密封條件下儲存備用.鹼處理是將黃麻纖維布浸入***質量分數***2%的NaOH溶液中，於60 ℃下處理4 h，再用去離子水洗滌至中性並在80 ℃乾燥.矽烷偶聯劑處理是將KH550配製成***質量分數***3%的乙醇溶液，然後把黃麻纖維布浸入溶液中10 min，取出纖維布放置在空氣中30 min，最後90 ℃烘乾.異氰酸酯處理是將黃麻纖維布放入異氰酸酯的丙酮溶液中，以濃硫酸為催化劑，在55 ℃油浴加熱反應5 h，取出用丙酮洗滌後80 ℃烘乾.模具和複合材料樣品見圖1.
1.2黃麻纖維布的熱壓工藝
為了提高複合材料中麻纖維的含量，將表面處理的黃麻纖維布裁成190 mm×140 mm的規格，整齊疊放在平板熱壓機模具中，在1 MPa和100 ℃條件下熱壓30 min.
圖1模具和複合材料樣品
Fig.1Mould and composite samples
1.3黃麻纖維布增強環氧樹脂複合材料的製備
將黃麻纖維布剪裁成190 mm×140 mm的規格並精確稱量其質量後整齊鋪放在VARTM模腔中，合模;模具一端導管連線真空泵，一端連線注射系統，中間部分接入壓力錶用來測量模腔中的壓力.通過抽真空排除模腔內的空氣，然後將混合好的樹脂注入模腔中;模腔注滿後封住連線真空泵的一端，繼續注射，使模腔內的壓力達到1 MPa，然後封閉所有埠;將模具放入烘箱中60 ℃固化20 h，脫模取出板材;將複合材料板在80 ℃下固化5 h.
1.4材料效能表徵
採用FEI QUANTA 200 掃描電鏡觀察複合材料斷裂面的形態.黃麻纖維增強環氧樹脂複合材料按照GB/T 1447-2005和GB 1449-2005進行切割並銑到規定的形狀和尺寸，所以樣品在Instron3369萬能試驗機上進行拉伸測試和三點彎曲測試.
2實驗結果與討論
2.1不同表面處理對複合材料斷面形貌的影響
從未表面處理黃麻纖維複合材料斷面SEM圖***圖2***可見，斷裂面麻纖維拔出長度較大，且纖維表面未粘有樹脂，這充分說明黃麻纖維與基體樹脂的介面結合非常差，將直接導致複合材料的力學效能較低，所以欲獲得良好介面粘結強度的複合材料必須對黃麻纖維進行表面改性處理.
圖2未表面處理黃麻纖維複合材料斷面SEM圖
Fig.2The cross section SEM microphotographs
of composites made by jute fibers
without surface treated
將黃麻纖維分別在120 ℃，150 ℃和180 ℃條件下熱處理4 h，並將其與環氧樹脂製成複合材料.圖3為熱處理黃麻纖維增強複合材料斷面SEM圖，從圖3***a******b***可見，120 ℃熱處理黃麻纖維增強複合材料斷面黃麻纖維拔出長度仍然較長，黃麻纖維表面光滑，基本未粘有樹脂，這說明黃麻纖維與樹脂介面結合仍然不佳.圖3***c******d***為150 ℃熱處理黃麻纖維複合材料斷裂面，可以看出黃麻纖維拔出長度明顯短於120 ℃熱處理的樣品，同時黃麻纖維表面粘有少量樹脂，這證明了黃麻纖維與樹脂的介面結合得到了改善.圖3***e******f***為180 ℃熱處理黃麻纖維增強複合材料，從圖中能明顯地看出黃麻纖維拔出的長度進一步縮短，但黃麻纖維表面粘附的樹脂仍然不多.由此可見，通過熱處理的黃麻纖維增強複合材料可有限地提高黃麻纖維與樹脂的介面結合，但單純通過對黃麻纖維熱處理使複合材料力學效能提高的效果仍不太明顯.
鹼處理黃麻纖維增強複合材料斷面SEM如圖4所示，可見斷裂拔出的黃麻纖維表面粘有較多的樹脂，說明黃麻纖維與樹脂的介面結合得到了較大的改善，但纖維拔出的長度比較長.
矽烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強環氧樹脂複合材料斷面SEM如圖5所示.從圖5***a******b***可見，與熱處理和鹼處理黃麻纖維相比較，矽烷處理的黃麻纖維製備的複合材料斷裂後纖維拔出的長度更短.圖5***c******d***中拔出的黃麻纖維表面粘有較多的樹脂，黃麻纖維的根部與樹脂的縫隙也非常小，這充分說明了黃麻纖維與樹脂介面結合良好，複合材料的力學效能得到了顯著提高. 用六亞甲基二異氰酸酯***HDI***處理黃麻纖維增強複合材料斷面SEM如圖6所示，由圖6***a******b***可看出，黃麻纖維拔出長度較短，與矽烷處理後的情況基本一致，而由圖6***c******d***可清楚地看到黃麻纖維表面粘有大量的樹脂，所以可以確定黃麻纖維和環氧樹脂經過異氰酸酯處理後的介面結合良好.
圖5偶聯劑處理黃麻纖維增強複合材料斷面SEM圖
Fig.5The cross section SEM microphotographs
of jute fiber with coupling agent
treatment reinforced composites
綜上所述，將黃麻纖維進行熱處理和鹼處理對複合材料的介面結合作用提升不大;而矽烷處理和異氰酸酯處理可以顯著提高黃麻纖維與基體樹脂的介面結合;為了進一步證明以上結果，將對複合材料的力學效能進行測試和分析.
2.2複合材料力學效能分析
2.2.1拉伸效能
影響樹脂基複合材料效能的主要因素有增強材料、基體樹脂以及基體與增強材料的介面粘接強度等.為了提高複合材料中黃麻纖維的體積分數，實驗中將黃麻纖維布進行熱壓工藝處理，黃麻纖維未經熱壓制備的複合材料麻纖維體積分數為27.3%，經熱壓的樣品黃麻纖維體積分數可提高到33.6%.純環氧樹脂、未熱壓黃麻纖維複合材料及熱壓黃麻纖維複合材料試樣拉伸效能測試結果見表1，未熱壓麻纖維複合材料比純環氧樹脂試樣的拉伸強度增加了25.3%、拉伸模量提高了52.9%;而黃麻纖維布經熱壓後製備的複合材料比純環氧樹脂試樣拉伸強度則增加了51.2%、拉伸模量提高達111.4%.黃麻纖維熱壓工藝使複合材料中纖維含量提高了6.3%，當基體樹脂的粘度足夠低時，在滿足樹脂對增強材料的充分浸潤前提下，製備出來的複合材料將具有更好的力學效能.可見黃麻纖維的熱壓工藝對提高黃麻纖維增強環氧樹脂複合材料的拉伸效能具有重要意義.
表1不同處理條件下的黃麻纖維增強
複合材料拉伸強度和模量
Tab.1The tensile strength and modulus of jute fiber
with different treatment reinforced composites
複合材料
效能環氧
樹脂纖維
未處理偶聯劑
處理纖維HDI處理
纖維熱壓
工藝拉伸強度39.559.763.963.2是/MPa39.549.559.057.6否拉伸模量2 653.45 609.27 325.67 796.7是/MPa2 653.44 057.27 060.25 435.8否
由表1可知，當黃麻纖維未經熱壓處理時，與未表面處理的黃麻纖維增強複合材料相比較，矽烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強複合材料的拉伸強度提高了18.6%，異氰酸酯處理則提高了16.3%;矽烷偶聯劑處理黃麻纖維增強複合材料的拉伸模量提高了71.4%，異氰酸酯處理只提高了34.0%.當黃麻纖維經熱壓工藝處理後，矽烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強複合材料的拉伸強度只提高了7.0%，異氰酸酯處理也只提高了5.8%;矽烷偶聯劑處理麻纖維增強複合材料的拉伸模量增加了30.6%，異氰酸酯處理則增加達37.0%.由此可見，熱壓工藝、矽烷偶聯劑和異氰酸酯處理黃麻纖維可明顯提高複合材料的拉伸強度和拉伸模量，這主要是由於熱壓工藝提高了複合材料中纖維的體積分數，矽烷偶聯劑和異氰酸酯處理黃麻纖維能有效地改善黃麻纖維和樹脂基體的介面粘結強度，能有效地將外力在纖維和樹脂之間進行傳遞，最終達到改善複合材料的拉伸效能的結果.
2.2.2彎曲效能
黃麻纖維的熱壓工藝對複合材料彎曲強度的影響見表2，未熱壓的黃麻纖維增強複合材料的彎曲強度比純樹脂只提高了14.4%，但是熱壓處理後顯著提高達到了91.9%.可見黃麻纖維熱壓處理對提高黃麻纖維增強環氧樹脂複合材料的彎曲強度具有重要影響.
在黃麻纖維未進行熱壓工藝處理時，與未表面處理的黃麻纖維增強複合材料比較發現，經矽烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強複合材料的彎曲強度提高了50.2%，經異氰酸酯處理也提高了50.3%.在黃麻纖維經熱壓處理時，經矽烷偶聯劑處理黃麻纖維增強複合材料的彎曲強度提高了4.6%，經異氰酸酯處理黃麻纖維增強複合材料提高了1.2%.可見矽烷偶聯劑和異氰酸酯處理都能使黃麻纖維增強複合材料的彎曲強度得到提升，但是經熱壓工藝處理後更有利於複合材料彎曲強度的提高，並且可以適當減小黃麻纖維的表面處理程度，降低對增強材料效能的破壞，這將更有利於製備高效能複合材料的要求.
3結論
採用矽烷偶聯劑、異氰酸酯等對黃麻纖維表面處理和麻纖維熱壓工藝，通過VARTM成型工藝製備黃麻纖維增強環氧樹脂複合材料，得出以下結論：
1***與熱處理和鹼處理相比，矽烷偶聯劑和異氰酸酯對黃麻纖維表面處理可有效改善黃麻纖維與環氧樹脂的介面結合，顯著提高複合材料的力學效能.
2***黃麻纖維熱壓工藝處理可增加複合材料中黃麻纖維的體積含量，達到提高複合材料的力學效能的目的，未表面處理的黃麻纖維經熱壓工藝處理後製備的複合材料纖維含量提高了6.3%，拉伸強度、拉伸模量和彎曲強度分別提高了20.6%，38.3%和67.7%.
3***矽烷偶聯劑處理和異氰酸酯處理的黃麻纖維經熱壓處理製備的複合材料，其力學效能得到了顯著提高，而黃麻纖維的熱壓工藝處理對黃麻纖維增強複合材料的效能提高具有重要的影響.
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