第5章-非金属结构材料耐蚀特性

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1、 第五章第五章 非金属结构材料耐蚀特性非金属结构材料耐蚀特性5-1 高分子材料腐蚀特性高分子材料腐蚀特性和影响因素和影响因素5-2 耐耐腐蚀高分子材料腐蚀高分子材料5-3 耐耐腐蚀无机非金属材料腐蚀无机非金属材料5-5 玻璃钢玻璃钢5-4 碳碳石墨石墨 非金属材料有良好耐蚀性和某些特殊性，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，原料来源丰富，价格低廉。但物理机械性能差，施工技术施工技术、腐蚀机理尚不成熟。腐蚀机理尚不成熟。非金属材料按性质分为非金属材料按性质分为：（1）高分子材料，如塑料、橡胶、胶结材）高分子材料，如塑料、橡胶、胶结材料、涂料；料、涂料；（

2、2）无机材料，如天然耐酸材料（花岗）无机材料，如天然耐酸材料（花岗岩）岩）、工程陶瓷、耐火材料、石墨、硅酸盐工程陶瓷、耐火材料、石墨、硅酸盐材料；材料；（3）复合材料，如玻璃）复合材料，如玻璃钢钢。2课堂互动3影响高分子材料老化的因素：影响高分子材料老化的因素：阳光阳光 温度温度 湿度湿度 其他作用其他作用老化（耐侯性）老化（耐侯性）紫外线紫外线红外线红外线水分、水分、雨雪雨雪 一、一、老化老化 化学解质或在光、热、应力作用下高化学解质或在光、热、应力作用下高分子材料重量分子材料重量、体积、强度等性能发生质体积、强度等性能发生质变丧失使用性能的过程称为变丧失使用性能的过程称为“老化老化”。45

3、-1 高分子材料腐蚀特性高分子材料腐蚀特性和影响因素和影响因素影响老化的因素影响老化的因素 （1 1）温度：）温度：升高温度，引起热老化并促进化学升高温度，引起热老化并促进化学老化，增塑剂挥发等；老化，增塑剂挥发等；（2）阳光：）阳光：阳光下聚合物基团吸收与它固有频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发生进一步裂解反应；（3 3）湿度：）湿度：大气中水分子，雨雪使高分子材料发大气中水分子，雨雪使高分子材料发生

4、溶胀、水解、变形、表面龟裂生溶胀、水解、变形、表面龟裂；（4 4）其它作用：）其它作用：在光、热作用下，大气中氧气、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、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫与高分子材料反应、裂解；风裂解；风、雨、雪、尘等对设备的冲刷作用。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。进入介质。溶胀溶胀:相当数量介质小分子渗入高聚物内部，引起高分相当数量介质小分

5、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。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。构体型高聚物，只能交联键伸直，难断裂，发生溶胀。溶解：溶解：如果大分子间无交联键，溶胀可以一直进行下去，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称为溶解。溶解性遵循溶解性遵循极性相似极性相似相溶相溶原则。线性高聚物溶胀原则。线性高聚物溶胀进而溶解。进而溶解。二、二、渗透渗透 溶胀溶胀 溶解溶解6三、三、化

6、学腐蚀化学腐蚀氧化与水解氧化与水解 氧和水具有很大渗透能力和反应活性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。腐蚀破坏的常见反应。尤其温度高于尤其温度高于150150200200时。时。烯烃类聚合物大分子链中，在双键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，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。结合力弱，易氧化形成氢过氧化物。化学腐蚀化学腐蚀-氧化氧化7 化学腐蚀化学腐蚀-氧化氧化 易氧化程度依次为：聚二烯烃易氧化程度依次为：聚二烯烃聚丙烯聚丙烯

7、低密度聚乙烯低密度聚乙烯高密度聚乙烯。高密度聚乙烯。烯烃大分子引入卤素，杂链大分子抗氧烯烃大分子引入卤素，杂链大分子抗氧化能力改善。化能力改善。8 加聚反应合成的产物的主链加聚反应合成的产物的主链“CC”CC”共价键不易水解共价键不易水解；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。很大水分子攻击。杂原子与碳原子键的极性越大，越杂原子与碳原子键的极性越大，越易水解易水解,在酸、碱催化作用下更易进行在酸、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，越不易水解高

8、，越不易水解；化学腐蚀化学腐蚀-水解水解耐酸性介质水解能力依次为：醚键耐酸性介质水解能力依次为：醚键 酰胺键或酰酰胺键或酰亚胺键亚胺键 酯键酯键 硅氧键。硅氧键。耐碱性介质水解能力耐碱性介质水解能力:酰胺键或酰亚胺键酰胺键或酰亚胺键 酯键。酯键。9n大分子链及链段沿应力方向移动：大分子链及链段沿应力方向移动：拉应力作用下：材料的质量拉应力作用下：材料的质量，机械强度，机械强度 正应力作用下：材料的质量增加趋势正应力作用下：材料的质量增加趋势四四、应力腐蚀应力腐蚀 在某些条件下，高分子材料在某些条件下，高分子材料在应力和腐蚀介质共同作用下，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，

9、耐腐蚀性能急剧下降，介质溶入材料内部，应力增大，耐腐蚀性能急剧下降，发生类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。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：其规律：（1 1）拉应力促进腐蚀拉应力促进腐蚀：材料：材料受受外加负荷或加工过程残余应力外加负荷或加工过程残余应力作用时，作用时，10（2）蠕变和疲劳：长期静负荷作用及交变）蠕变和疲劳：长期静负荷作用及交变应力状态下，应力状态下，腐蚀性介质中，腐蚀性介质中，会发生蠕变会发生蠕变和疲劳；和疲劳；蠕变强度蠕变强度、疲劳强度、疲劳强度（3）环境应力开裂：受多向应力或较大应）环境应力开裂：受多向应力或较大

10、应变作用下变作用下的的高分子材料，高分子材料，在某些环境介质在某些环境介质中中可能可能产生产生银纹银纹,发生环境应力开裂发生环境应力开裂。11耐环境应力开裂的能力与材料本性和介质本性有关：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分子量小、分布窄的高聚物比大分子量的易发生 开裂。开裂。p在具有中等溶胀能力的醇类、蓖麻油等活性介

11、质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。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，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、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。混炼和成型加工过程而制的。按按100100份树脂加份树脂加30-7030-70份增塑剂的塑料，质地柔份增塑剂的塑料，质地柔软，称软聚氯乙烯塑料。软，称软聚氯乙烯塑料。通常不加或加少量增塑剂（不超过通常不加或加少量增塑剂（不超过5 5份）的称硬份）的称硬聚氯乙烯塑料。聚氯乙烯塑料。5-2 耐耐腐蚀高

12、分子材料腐蚀高分子材料一一、聚氯乙烯聚氯乙烯13 除强氧化剂（如浓度大于除强氧化剂（如浓度大于50%50%硝酸、发烟硫酸），硝酸、发烟硫酸），芳香族、氯代碳氢化合物（如苯、甲苯、氯苯）及酮芳香族、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。溶剂等介质腐蚀。1.1.耐蚀性能：耐蚀性能：分子结构中不含有活性较大基团，主链全是非极分子结构中不含有活性较大基团，主链全是非极性共价键性共价键C-CC-C联结而成，故具有良好的联结而成，故具有良好的化学稳定性化学稳定性。影响耐蚀性能因素：影响耐蚀性能因素：

13、温度、应力、介质温度、应力、介质。温度、内应力越高腐蚀速率越快。温度、内应力越高腐蚀速率越快。14材料的溶材料的溶解性和渗解性和渗透性增加透性增加聚合物裂解聚合物裂解交联交联氧化产物降解氧化产物降解交联（老化）交联（老化）15 与与强氧化性介质接触，会被氧化，在光、热强氧化性介质接触，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、变脆亦发生解和交联、变硬、变脆亦发生“老化老化”。2.2.应用：应用：良好耐蚀性，一定机械强度，成型加工良好耐蚀性，一定机械强度，成型加工和和焊接方焊接方便，所以应用广泛。可制作贮槽、塔设备、电除雾器、便

14、，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。酸、耐碱、低价作滤布。P134P134表表5-45-416n 根据根据PVC材料的特性和具体使用条件确定许用应力材料的特性和具体使用条件确定许用应力 和安全系数和安全系数。n 以长期拉伸强度作为计算许用应力的依据以长期拉伸强度作为计算许用应力的依据。n 焊缝系数焊缝系数0.850.95，一般取一般取0.6。3.3.设备结构设计特点：设备结构设计特点：n 刚性较小，防止变形，顶盖，筒体结构应采用加强性措施；刚性较小，防止变形，顶盖，筒体结

15、构应采用加强性措施；17n 避免焊缝本体和焊缝边线的母材断面的剧烈变化避免焊缝本体和焊缝边线的母材断面的剧烈变化；n 采用双面或单面对接加强焊提高焊缝强度、保护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（多块板材焊缝；焊缝尽可能错开（多块板材）；18n 利用利用PVC的热塑性，管道之间采用热胀承插的结构的热塑性，管道之间采用热胀承插的结构连接连接。n 考虑到材料的膨胀系数，金属加强构件与塑料设备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；之间允许相对自由位移；膨胀系数大，膨胀系数大，长管道，长管道，注意加膨注意加膨胀节胀节；19n 强度低不能承受过大

16、附加载荷；强度低不能承受过大附加载荷；具有具有良好的耐蚀性、耐溶剂性、耐热性（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、衬里等常用于制作化工管道、贮槽、衬里等,石墨改性石墨改性PP，可做，可做PP换热器换热器。线膨胀系数线膨胀系数PP=3 线膨胀系数线膨胀系数PVC 杨氏模量杨氏模量PP=1/8 杨氏模量杨氏模量PVC热膨胀和热膨胀和刚性问题刚性问题二二、其它塑料其它塑料但注意热膨胀和刚性问题。但注意热膨胀和刚性问题。201.聚丙烯塑料聚丙烯塑料（PP）：聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE，F-

17、4）聚三氟氯乙烯（聚三氟氯乙烯（PCTFE，F 3）聚全氟乙丙烯（聚全氟乙丙烯（FEP，F 46）2.氟塑料：氟塑料：氟塑料是含氟原子的塑料总称。具有氟塑料是含氟原子的塑料总称。具有优良的腐蚀性、耐热性、自润滑性和电性优良的腐蚀性、耐热性、自润滑性和电性能。能。21 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE，F-4）CF2-CF2 n高化学惰高化学惰性性耐蚀性耐蚀性耐热性耐热性耐老化性耐老化性l机械强度、刚性低机械强度、刚性低l线膨胀系数大线膨胀系数大l导热性差导热性差l熔点高，成型加工困难熔点高，成型加工困难l难粘结或焊接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用做摩擦件和密封件，用在高

18、温或强腐蚀场合(1)聚四氟乙烯聚四氟乙烯(F-4)：稳定性好、耐老化：稳定性好、耐老化“塑料王塑料王”但注意机械强度低于其他塑料，刚性也比较低。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（聚全氟乙丙烯（FEP，F 46）-CF2-CF2-x-CF-CF2-y-n FEP 熔点熔点 PTFE熔点熔点;加工成型性优于加工成型性优于PTFE (3)(3)聚全氟乙丙烯聚全氟乙丙烯(F-46)(F-46)：突出优点是熔：突出优点是熔点低加工成型性优。点低加工成型性优。(2)(2)聚三聚三氟氟乙乙烯烯(F-3)(F-3)：较好耐蚀性，加工：较好耐蚀性，加工成型性优。成型性优。聚三氟氯乙烯

19、（聚三氟氯乙烯（PCTFE，F 3）CF2-CF nCl加工成型性优加工成型性优于聚四氟乙烯于聚四氟乙烯23 热塑性塑料加工成型热塑性塑料加工成型性优性优,用做涂层和衬里用做涂层和衬里。3.3.氯化聚醚塑料：氯化聚醚塑料：结晶和大分子结构中存在醚键，耐蚀性、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、耐溶剂性好，但对强氧化剂不耐，也不耐氯、氟、溴腐蚀。氟、溴腐蚀。24热塑性塑料加工成型热塑性塑料加工成型优优,用做耐蚀和耐热的阀门、泵、用做耐蚀和耐热的阀门、泵、密封环主要用于防腐涂层密封环主要用于防腐涂层 4.4.聚苯硫醚塑料聚苯硫醚塑料(PPS)(PPS)：耐热

20、性好，机械性能好，但耐蚀性差。耐热性好，机械性能好，但耐蚀性差。5-3 耐耐腐蚀无机非金属材料腐蚀无机非金属材料（1 1）陶瓷的基本概念：）陶瓷的基本概念：陶瓷：陶瓷：（广义）指金属氧化物、碳化物、氮化（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。物、硼化物，即所有固态无机材料统称陶瓷。（狭义）指一切金属氧化物。以（狭义）指一切金属氧化物。以SiOSiO2 2为主体为主体的陶瓷，统称硅酸盐陶瓷。的陶瓷，统称硅酸盐陶瓷。特点：溶点高、耐高温、强度特点：溶点高、耐高温、强度 硬度高、硬度高、耐氧化、耐腐蚀耐氧化、耐腐蚀、高化学稳定性。高化学稳定性。1.1.陶瓷的特性陶瓷

21、的特性一一、陶瓷陶瓷25陶瓷的耐蚀性的影响因素：陶瓷的耐蚀性的影响因素：材料的化学成分材料的化学成分 矿物学组成矿物学组成 孔隙孔隙 结构类型结构类型 高温下材料性质的变异高温下材料性质的变异 腐蚀介质的性质腐蚀介质的性质26（2）陶瓷材料的特性指标：陶瓷材料的特性指标：27吸水率：材料吸水前后重量之差与原重量之比。吸水率：材料吸水前后重量之差与原重量之比。100100%GGWGW W：吸水率；：吸水率；G G0 0：干燥件重量；：干燥件重量；G G1 1：试件被水饱和后的重量。：试件被水饱和后的重量。不渗透性不渗透性 是材料抵抗液体或气体渗透的性能。是材料抵抗液体或气体渗透的性能。用水或腐蚀

22、性溶液注满压力空间，施以一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。漏泄或液滴则可以认为不渗透。孔隙率：材料中空隙体积与材料总体积之比。孔隙率：材料中空隙体积与材料总体积之比。空隙率和吸空隙率和吸水水率率 28 耐热冲击性能耐热冲击性能 是反是反映映材料承受温度剧变能力的指标。材料承受温度剧变能力的指标。耐酸度耐酸度 表示腐蚀性。表示腐蚀性。21100%gKgK K：耐酸度；：耐酸度；g g1 1：试验前材料重量；：试验前材料重量；g g2 2：试验后材料重量。：试验后材料重量。29 （3 3

23、）化工陶瓷的应用：）化工陶瓷的应用：主要成分主要成分60%-70%SiO60%-70%SiO2 2和和20%-30%Al20%-30%Al2 2O O3 3少量少量K K2 2O O和和NaNa2 2O O等，具有优良耐腐蚀性，能耐除氢氟等，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。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、可作塔器、贮槽、泵、风机、悬塞、悬塞、管、管、管件、管件、衬里材料。衬里材料。30 2.2.设备结构设计特点设备结构设计特点 化工陶瓷强度低，适于制作常压、低压设备。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

24、成过程中能自由伸缩，容器壳为保证坯体干燥，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，直径不大体设计成圆筒形、球形，器壁不能过薄，直径不大于于1.2m1.2m，高度不超过，高度不超过1.5m1.5m。设备的底设备的底 盖：盖：为介质易排净，底设计成蝶形为介质易排净，底设计成蝶形、半球形半球形、平底，底与筒体连接内外转角半径大于壁平底，底与筒体连接内外转角半径大于壁厚的厚的1/31/3，顶盖采用蝶形、椭圆形或半球形。，顶盖采用蝶形、椭圆形或半球形。31 设备的支座：尽可能设计成裙式支座，四设备的支座：尽可能设计成裙式支座，四周开设透气孔，还可用凸圈式支承。周开设透气孔，还可用

25、凸圈式支承。滤板：抗压强度远大滤板：抗压强度远大于抗拉强度，滤板设计成于抗拉强度，滤板设计成拱形。拱形。32 连接结构：设备接管、管道、塔节间连连接结构：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（内压接采用承插结构或金属活套法兰连接（内压设备）设备）。33 输送热介质的管道：设置补偿装置。输送热介质的管道：设置补偿装置。34二二、其他硅酸盐材料其他硅酸盐材料 1.1.玻璃玻璃 普通玻璃：主要成分是普通玻璃：主要成分是SiOSiO2 2和碱金属氧化物（和碱金属氧化物（K K2 2O O，NaNa2 2O O），化学稳定性和热稳定性较差。），化学稳定性和热稳定性较差。石英玻璃：主要

26、成分是高纯石英玻璃：主要成分是高纯SiOSiO2 2，线膨胀系数极小，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。耐热性极高，具有良好耐蚀性，但熔制困难，成本高。主主要用于制作实验室仪器、高纯物料提纯设备。要用于制作实验室仪器、高纯物料提纯设备。高硅氧玻璃：含有高硅氧玻璃：含有95%SiO95%SiO2 2，线性膨胀系数小，耐热，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。石英玻璃。是石英玻璃的替代品。是石英玻璃的替代品。硼硅酸盐玻璃：含有硼硅酸盐玻璃：含有79%SiO79%SiO2 2，

27、12%-14%B12%-14%B2 2O O3 3,少量少量AlAl2 2O O3 3和和NaNa2 2O O，耐热、硬质、耐蚀、制作工艺性能好。，耐热、硬质、耐蚀、制作工艺性能好。用于制作用于制作实验室玻璃仪器、蒸馏塔、吸收塔、泵、换热器、管道、实验室玻璃仪器、蒸馏塔、吸收塔、泵、换热器、管道、法兰、阀门等。法兰、阀门等。35(7075%SiO2+15%Al2O3+10%(K2O、Na2O)用于修筑：盐酸、硝酸的处理槽、贮槽、吸收塔、用于修筑：盐酸、硝酸的处理槽、贮槽、吸收塔、电解池电解池制造碘、溴的装置制造碘、溴的装置砌做耐酸的地坪、沟槽和基底等砌做耐酸的地坪、沟槽和基底等 2.2.花岗岩

28、花岗岩 是天然石材，含是天然石材，含70%-75%SiO70%-75%SiO2 2，15%15%左右左右 AlAl2 2O O3 3和和10%10%左右碱金属氧化物（左右碱金属氧化物（K K2 2O O，NaNa2 2O O）。主）。主要矿相是长石和石英，少量矿相是云母和磁铁矿，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。质地致密，耐蚀。36使用范围与花岗岩类似，衬砌施工比花岗岩方便使用范围与花岗岩类似，衬砌施工比花岗岩方便 3.3.铸石铸石 是玄武岩、辉绿岩及工业渣配料溶化，铸成是玄武岩、辉绿岩及工业渣配料溶化，铸成人工石材，含约人工石材，含约50%SiO50%SiO2 2，

29、15%15%左右左右 AlAl2 2O O3 3，其余，其余是碱金属和铁氧化物。耐酸、耐碱、耐磨、施工是碱金属和铁氧化物。耐酸、耐碱、耐磨、施工方便。方便。37具有一系列优良的物理，化学性具有一系列优良的物理，化学性能，能，工业部门。工业部门。5-4 碳碳石墨石墨38一一、碳碳石墨制品制造石墨制品制造 1.1.天然石墨：是由含有大量有机质的沉积天然石墨：是由含有大量有机质的沉积碳或煤层碳或煤层含含碳碳气体，在地壳中受高温、高压气体，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，矿物，呈黑色或刚灰色，

30、形状呈鳞片或叶片状，纯纯度度低，组织松散发滑。低，组织松散发滑。39 2.2.人工石墨：以无烟煤、焦炭、石油焦、人工石墨：以无烟煤、焦炭、石油焦、沥青沥青等为主要原料，经粉碎、筛分、成型、煅等为主要原料，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：烧及石墨化等工艺过程制的产品。生产流程：无烟煤、焦无烟煤、焦炭、石油焦炭、石油焦填塞孔隙填塞孔隙合成树脂、水玻璃、合成树脂、水玻璃、低熔点金属低熔点金属40 浸渍石墨的机械强度显著提浸渍石墨的机械强度显著提 高，导热性和热膨系数变高，导热性和热膨系数变 化不大化不大 3.不透性石墨：不透性石墨：碳碳石墨经浸渍剂石墨经浸渍剂(合成合成

31、树脂、水玻璃或低熔点金属树脂、水玻璃或低熔点金属)浸渍填塞孔隙制浸渍填塞孔隙制成不透性石墨。成不透性石墨。41 1.性能性能 （1）优良的化学稳定性能：对大部分酸、）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，）优良的导热性能：石墨化程度越高，其传热性能越强其传热性能越强;（3）热膨胀系数小）热膨胀系数小,优良耐热冲击性能：操优良耐热冲击性能：操作时温度波动不会炸裂；作时温度波动不会炸裂；压制和浇注石墨导热性下降，热膨胀系数提高压制和浇注石

32、墨导热性下降，热膨胀系数提高 （4）优良的自润滑特性：作减磨材料。）优良的自润滑特性：作减磨材料。二二、碳碳石墨性能与应用石墨性能与应用42 制备热交换器、膜式吸收塔、盐酸合成炉、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（离心泵、管子、旋塞）。化工机械上作密封环、滑动轴承。封环、滑动轴承。2.应用：主要利用石墨耐腐蚀性，耐磨性。应用：主要利用石墨耐腐蚀性，耐磨性。不透性石墨：不透性石墨：在在盐酸、氯碱、次氯酸钠、磷酸、醋酸盐酸、氯碱、次氯酸钠、磷酸、醋酸 以及农药的生产中以及农药的生

33、产中作作n 热交换器（列管式、喷淋式、块孔式、板室式）热交换器（列管式、喷淋式、块孔式、板室式）n 吸收塔吸收塔n 盐酸合成炉盐酸合成炉n 离心泵离心泵n 管子、管件管子、管件n 旋塞等旋塞等n 密封环和滑动轴承密封环和滑动轴承43膨胀石墨膨胀石墨(柔性石墨、可挠性石墨）：柔性石墨、可挠性石墨）：n高优良的热稳定性高优良的热稳定性n导热率（各向异性）导热率（各向异性）n 耐蚀耐蚀n 可压缩性可压缩性n 回弹性回弹性 特别适用于陶瓷、玻璃特别适用于陶瓷、玻璃 设备或接管法兰面的密封设备或接管法兰面的密封 广泛用做阀门、泵、压广泛用做阀门、泵、压 力容器、热交换器的密封力容器、热交换器的密封材料材

34、料 及隔热保温材料。及隔热保温材料。三三、新型碳素材料新型碳素材料 1.膨胀石墨：天然鳞片石墨，净化，酸洗，水洗，膨胀石墨：天然鳞片石墨，净化，酸洗，水洗，加热炉中在加热炉中在1000左右下分解，气化，模压，辊压，左右下分解，气化，模压，辊压，冲压成制品。冲压成制品。制品质地柔软，高热稳定性，热导性好，耐蚀，制品质地柔软，高热稳定性，热导性好，耐蚀，可压缩性、回弹性好。可压缩性、回弹性好。44 2.碳纤维及复合材料碳纤维及复合材料 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。工和碳化而成。耐热、耐腐蚀、低耐热、耐腐蚀、低导导热性，常将碳纤维织成

35、碳热性，常将碳纤维织成碳布、碳毡用作感应炉、电阻炉的热屏蔽材料。布、碳毡用作感应炉、电阻炉的热屏蔽材料。具有良好密封性，寿命长，常作密封填料。具有良好密封性，寿命长，常作密封填料。碳纤维复合材料：碳纤维碳纤维复合材料：碳纤维/树脂、碳纤维树脂、碳纤维/金属、金属、碳纤维碳纤维/碳，碳，碳纤维碳纤维/树脂应用最多。树脂应用最多。高比强度、高比高比强度、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。转鼓、泵的叶轮。45n 弥补了普通弥补了普通C素材料的弱点（脆性），具有很高素材料的弱点（脆性），具有很高 的比强度、比刚度；的比强度、比刚

36、度；n C纤维导热性低，用做感应炉或电阻炉的热屏蔽纤维导热性低，用做感应炉或电阻炉的热屏蔽 材料；材料；n 石墨化纤维导热率较高，可做为发热元件（真石墨化纤维导热率较高，可做为发热元件（真空、空、惰性气体中：惰性气体中：2500）；）；n 石墨纱经四氟乙烯浸渍，作为输送腐蚀介质的石墨纱经四氟乙烯浸渍，作为输送腐蚀介质的化化 工泵的填料密封，密封性好，使用寿命长工泵的填料密封，密封性好，使用寿命长。碳纤维及复合材料碳纤维及复合材料46n 石墨材料不能焊接、易石墨材料不能焊接、易机械加工，多采用胶结机械加工，多采用胶结组合组合n 大多采用平板、块、管、大多采用平板、块、管、条等进行粘结组合；条等进

37、行粘结组合；n 多层板胶结时，胶结缝多层板胶结时，胶结缝要错开（要错开（60）；）；4.石墨设备结构特点石墨设备结构特点47n 接管与筒体的接管与筒体的连接通常也用连接通常也用胶结的方法；胶结的方法；n 有时采用螺纹有时采用螺纹（螺纹牙）与（螺纹牙）与胶粘剂并用的胶粘剂并用的连接结构；连接结构；48n 筒体与筒体的连接通筒体与筒体的连接通常也用胶结的方法；常也用胶结的方法；n 管子与管板连接管子与管板连接采用锥形胶粘结构；采用锥形胶粘结构；49n 设备或管道彼此间采用凸缘活套法兰、设备或管道彼此间采用凸缘活套法兰、顶盖采用顶盖采用 平面法兰；平面法兰；50浮头式列管换热浮头式列管换热器的热补偿

38、结构器的热补偿结构n 与金属组合制造设备，应考虑其不同的热膨胀与金属组合制造设备，应考虑其不同的热膨胀系数的影响，采用热补偿结构。系数的影响，采用热补偿结构。515-5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性玻璃钢：玻璃钢：玻璃纤维（或玻璃纤维布）与热固性树脂组成的玻璃纤维（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。玻璃钢。52轻质高强，耐蚀性优，耐热轻质高强，耐蚀性优，耐热性好，线膨胀系数小，性好，线膨胀系数小，成型成型加工性好加工性好等特点等特点，应用广泛。，应用广泛。性能与玻璃纤维及树脂的种性能与玻璃纤维及

39、树脂的种类、组成相的比例、组成相类、组成相的比例、组成相之间的结合强度有关之间的结合强度有关53一一、组成组成 1.玻璃纤维：玻璃钢的骨架。是将玻璃玻璃纤维：玻璃钢的骨架。是将玻璃球球置于电热白金坩埚中，高温加热至熔融，通过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，经坩埚底部许多小孔流出，经高速高速机械拉引而成机械拉引而成直径小于直径小于10的纤维。纤维束经浸润剂粘接成的纤维。纤维束经浸润剂粘接成原纱，再根据需要制成捻纱或无原纱，再根据需要制成捻纱或无捻纱制品。捻纱制品。玻璃纤维分两类：玻璃纤维分两类：（1）无碱玻璃纤维）无碱玻璃纤维 低碱硼硅玻璃：含碱低低碱硼硅玻璃：含碱

40、低于于0.5%，强度高，作增补材料；，强度高，作增补材料；（2）有碱玻璃纤维：含碱量为）有碱玻璃纤维：含碱量为8-15%钠钙玻钠钙玻璃，耐火、耐风、电绝缘及机械强度差，但成璃，耐火、耐风、电绝缘及机械强度差，但成本低。本低。54玻璃钢常用树脂的耐蚀特性玻璃钢常用树脂的耐蚀特性（1）环氧树脂）环氧树脂 凡分子结构中含有环氧基凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环团的高分子化合物统称为环氧树脂。氧树脂。2.合成树脂：影响玻璃钢物理、化学性能。常用合成树脂：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、聚的热固树脂有环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚酯树脂，其作用是将

41、玻璃纤维粘接为一个整体，起酯树脂，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传递载荷和防渗透作用，赋予玻璃钢各种优良综合性能性能，如如良好耐腐性，电绝缘性，施工工艺性等。良好耐腐性，电绝缘性，施工工艺性等。55 粘接性能优异粘接性能优异；环氧固化物具有优良的化学稳定性环氧固化物具有优良的化学稳定性；固化收缩率小（一般固化收缩率小（一般2环氧树脂和环氧树脂和聚酯树脂，不耐碱腐蚀聚酯树脂，不耐碱腐蚀；马丁耐热度为马丁耐热度为120，最高为，最高为 150（不受力）（不受力）；具有较大的收缩率和气孔率具有较大的收缩率和气孔率；环氧环氧-酚醛树脂酚醛树脂使材料的耐

42、酸、碱，耐热以及收缩率、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、耐碱性能具有良好的耐酸、耐碱性能 可在酸碱交替的环境中使用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耐溶剂性和耐热性较好；塑性差易脆裂塑性差易脆裂；与金属的粘结能力差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、易老化不耐氧

43、化性介质、易老化 在碱和热酸的作用下，发生水解在碱和热酸的作用下，发生水解；成型工艺性能良好成型工艺性能良好；制品致密性好制品致密性好。制造玻璃钢主要用不饱和聚酯制造玻璃钢主要用不饱和聚酯。60 3.辅助材料：辅助材料：（1）固化剂：促进或参与树脂固化反应的）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胺类和酸酐，酚醛树脂常用硫酸乙酯和和对苯磺对苯磺酰氯，不饱和聚酯用含有双键化合物，呋喃树酰氯，不饱和聚酯用含有双键化合物，呋喃树脂以酸作固化剂。脂以酸作固化剂。（2）增塑剂：提高韧性，减少开裂，增

44、加）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可塑性。环氧玻璃钢常用聚酰胺和和聚硫橡胶，聚硫橡胶，呋喃玻璃钢常用邻苯甲酸二乙酯呋喃玻璃钢常用邻苯甲酸二乙酯和和亚磷酸二苯亚磷酸二苯酯。酯。61 （3）填料：改善玻璃钢性能，减少树脂用）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。选用石墨粉、辉缘岩粉。（4）稀释剂：增加）稀释剂：增加胶胶流流动性，提高渗透流流动性，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、甲苯常

45、用非活性稀释剂，如无水乙醇、丙酮、甲苯及混合稀释剂（甲苯及混合稀释剂（甲苯/乙醇乙醇 1:1）。）。62二二、玻璃钢的耐蚀特性玻璃钢的耐蚀特性 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玻璃钢的强度和使用温度 力学性能的最大特点：比强度高力学性能的最大特点：比强度高 相对密度是碳钢的相对密度是碳钢的1/31/31/41/4，比强度是碳钢的比强度是碳钢的2 23 3倍倍，过高，过高温度会使强度降低温度会使强度降低；玻璃钢的导热系数仅为钢的玻璃钢的导热系数仅为钢的1/1002/1000 不适合做传热设备不适合做传热设备；热膨胀系数较树脂大为减小

46、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 大的形变大的形变。63 2.耐化学腐蚀特性：耐蚀耐化学腐蚀特性：耐蚀性性取决于树脂，取决于树脂，腐蚀过腐蚀过程是腐蚀介质或溶剂的渗透引起树脂溶胀、溶解、水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的破坏。64 3.耐老化性能：在大气中暴晒，因耐老化性能：在大气中暴晒，因对对紫紫外线敏感而老化产生裂纹，失去光泽，发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

47、压、黑，但对机械强度、抗弯、抗拉、抗压、冲击性影响小，弹性冲击性影响小，弹性模量缓慢模量缓慢降低。降低。酚醛树脂老化最严重；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防腐用的玻璃钢在自然环境中可使用5-75-7年年。65三三、玻璃钢设备的结构特点玻璃钢设备的结构特点 1.层间结构：层间结构：为保证有足够的力学性能和良好耐蚀性能，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。具有不同结构层。内层内层:耐腐蚀层耐腐蚀层 厚度：厚度：0.50.51.5mm1.5mm；树脂：；树脂：90%90%过渡层过渡

48、层:中间防渗层中间防渗层 厚度：厚度：2 22.5mm2.5mm；胶量：；胶量：505070%70%增强层增强层:承载设备负荷，承载设备负荷，厚度厚度 依设计强度；玻纤维：依设计强度；玻纤维：70%70%外层：提高防老化性能，外表美观外层：提高防老化性能，外表美观 厚度厚度1 12mm2mm；含胶量：；含胶量：808090%90%66 内层：耐腐蚀层，作用是抗介质浸蚀，要内层：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（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）玻璃纤维采用中碱或无碱短切切纤维或无纤维或无捻粗纱方布格，厚捻粗纱方布格，厚度

49、度。渡过层：中间防渗层，采用密度渡过层：中间防渗层，采用密度较较疏，质疏，质地柔软的中碱无碱无捻粗纱方格布或短切玻璃地柔软的中碱无碱无捻粗纱方格布或短切玻璃纤维毡，控制纤维毡，控制胶胶量量50-70%，厚度，厚度2-2.5mm;增强层：负荷承载层，由树脂胶液粘结多层增强层：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，纤维约占成，纤维约占70%。外层：树脂胶液中加入少量填料或粘结玻璃外层：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。含胶约纤维布组成，提高老化性能和外观。含胶约80-90%，厚度，厚度1-2m

50、m。67 (1)(1)玻璃钢的刚性比较差，弹性模量只有普通碳玻璃钢的刚性比较差，弹性模量只有普通碳钢的钢的1/51/51/101/10，因此，必须注意有良好的钢性设计，因此，必须注意有良好的钢性设计。2.结构设计特点结构设计特点 如贮槽类容器槽底如贮槽类容器槽底设计成平的，直接放置设计成平的，直接放置在基础上或多点支撑格在基础上或多点支撑格子式支座，支脚式支座子式支座，支脚式支座应加厚槽底，卧式贮槽应加厚槽底，卧式贮槽鞍形支座。鞍形支座。68 (2)(2)矩形贮槽在装满介质时，其侧壁的挠度矩形贮槽在装满介质时，其侧壁的挠度不允许超过跨度的不允许超过跨度的0.5%0.5%，挠度超过跨度的，挠度超

51、过跨度的0.5%0.5%，必须在槽外部设加强圈必须在槽外部设加强圈。69 (3)(3)玻璃钢管道的连接一般采用平口对接，承玻璃钢管道的连接一般采用平口对接，承插式连接；斜接口插式连接；斜接口。70 （4 4）可拆连接时，用活套法兰；）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 为法兰厚度的为法兰厚度的1/2 1/2。71 （5 5）人孔和接管孔应注意加强，或采用圆锥形）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的筒体壁厚应增加 。72 （6）平底贮槽底部转角处）平底贮槽底部转角处曲率半径不得小于曲率半径不得小于40mm，底，底部适当增厚；部适当增厚；液体注入管的设计应使液体液体注入管的设计应使液体缓慢流入；最好保持缓慢流入；最好保持150200mm的的缓冲缓冲液层液层。73