改性聚全氟乙丙烯(FEP)对钢材防腐蚀性能的影响

李 勇,郑 鸥

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院周口分院，河南 周口 466000)

改性聚全氟乙丙烯(FEP)对钢材防腐蚀性能的影响

李 勇,郑 鸥

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院周口分院，河南 周口 466000)

采用新型改性聚全氟乙丙烯(FEP)树脂对钢质压力容器和压力管道进行防腐蚀研究，运用划格实验、耐水性实验、耐候性实验等方法，对新型改性材料的性能进行研究，结果表明该新型防腐蚀材料的耐蚀性、耐候性、耐热性较好，能有效防止钢质压力容器和压力管道被腐蚀.

聚全氟乙丙烯(FEP)； 压力容器；压力管道；防腐蚀

在压力容器及压力管道使用过程中，由于其储存及输送的介质一般都具有很强的腐蚀性，会导致钢材因腐蚀失效[1-2].钢材腐蚀的形式一般有点腐蚀、缝隙腐蚀、均匀腐蚀等，防止钢材腐蚀是延长压力容器和压力管道使用寿命的关键之一[3].

引起钢材腐蚀的主要因素有碳的影响、钢组织的影响和焊接加工影响.碳在钢中常以碳化物的形式存在，在非氧化性的酸性介质中，碳含量越高，腐蚀速度越快；在具有氧化性的酸性介质中，碳含量越低，腐蚀速度越快.钢组织的影响主要是钢材中碳、铁素体及渗碳体等物质电极电位不同，碳的电位最高，渗碳体其次，铁素体电位最低.在腐蚀性介质的作用下，碳和渗碳体成为阴极，铁素体为阳极，导致钢铁腐蚀加速.焊接加工时，钢材在焊接时候被快速加热和冷却，造成焊缝周围钢材组织结构和成分发生变化，易引起缝隙腐蚀[4-7].钢材表面电化学腐蚀分为析氢腐蚀与吸氧腐蚀两种方式.

析氢腐蚀：Fe→Fe2++2e(阳极反应)， 2H++2e→H2↑(阴极反应)，2H2O+O2+4e→ 4OH-(阴极反应).

吸氧腐蚀：Fe→Fe2++2e(阳极反应)，2H++ O2+2e→H2O(阴极反应).

目前，常用的压力容器防腐措施有金属防腐层、搪瓷、搪玻璃、橡胶衬里、涂漆等，应用较广泛的是涂装防腐蚀材料或利用材料使管道与介质隔离，使用较多的有环氧树脂、聚乙烯等[8].研究表明，由于压力容器及压力管道的工作环境较复杂，部分防腐蚀材料在投入使用后很短时间内就会出现开裂、脱落等现象，导致防护失效，故需要选择一种防腐能力强、耐候性较好的材料.本研究采用聚全氟乙丙烯树脂作为基体材料，对其进行改性，使其能够满足压力容器和压力管道的防腐蚀要求.

1 聚全氟乙丙烯树脂

聚全氟乙丙烯(FEP)是一种线性结构的高分子化合物，由四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)共聚而成，具有优异的化学稳定性，几乎能耐各种浓度的有机酸、碱及醇、酮、烃类、卤代烃、芳烃等的腐蚀[9].

FEP树脂具有良好的耐热性、耐候性与耐蚀性，力学性能和抗蠕变性能优异，200 ℃以下时侵蚀、疏水和不黏性能较好.在加工使用过程中，熔融黏度低且溶体的流动性好，以在250～360 ℃时正常加工[10].

2 FEP树脂改性实验

FEP在用作防腐蚀材料时，能够完成复杂环境下的腐蚀防护，是一种良好的防腐蚀材料.但是,FEP树脂在与钢质基材结合时，附着力较差，不易与钢材之间形成牢固的结合，所以在很多防腐蚀工程应用中会出现FEP材料脱落造成的防腐失效，造成材料良好的防腐蚀性能没有得到充分发挥.因此，在使用FEP树脂作为防腐蚀材料时，要对其进行改性，通过改性提高它与基材之间的结合力.本研究采用环氧树脂对FEP树脂进行改性，以增强聚全氟乙丙烯与钢材之间的结合力，使其能够起到长期有效的防腐蚀作用.

经过实验研究，选择FEP树脂作为基体树脂，使用环氧树脂与FEP树脂进行共混改性，利用环氧树脂中的脂肪族羟基、醚键、环氧基等极性基团，使材料与被涂覆钢材之间形成较强的结合力，并在新材料中加入钛白粉、硫酸钡和云母粉等颜料作为影响因子，用以提高材料与钢材之间的结合力，增强材料表面的硬度，提高其耐热性，降低热膨胀系数.

2.1因素与水平

根据各影响因素的特性，参考正交实验的设计原则，对聚全氟乙丙烯材料采用三水平四因素L9(34)的正交设计方案进行实验.根据实验比对，查找各因素的影响效果，根据影响效果进行正交实验.

2.2正交实验

按照三水平四因素L9(34)正交实验方法，对FEP材料进行正交实验，根据相关国家标准进行实验室试片研究，找出各因素对材料防腐性能及耐候性的影响，确定各组分的最优比例.

3 材料性能实验

3.1制备试片

实验采用Q235钢作为基体钢材，涂覆底漆之前，对钢材进行表面打磨、除油及除锈处理，然后在试片上涂覆底漆，待底漆完成后涂覆面漆，多次涂覆面漆直至达到需要的厚度，冷却后放入25 ℃的恒温箱.将制作完成并经过恒温干燥的试片取出，使用超声波测厚仪对试片上的材料厚度进行测量，在每一个试片上取6个点进行测量，测量数据如表1所示.

表1 材料试片厚度Tab.1 The specimen thickness of coating μm

表1(续) μm

3.2试片基本性能测试

根据GB 1727—1992漆膜一般制备法[11]的要求，模拟压力容器和压力管道运行工况，对新型聚全氟乙丙烯(FEP)材料进行附着力、耐热性、耐候性等方面的测试.参照GB/T 1767—1989漆膜耐候性测定法[12]、GB/T 1766—2008色漆和清漆 材料老化的评级方法[13]、GB 1735—2009漆膜耐热性测定法[14]、GB/T 9286—1998色漆和清漆 漆膜的划格实验[15]、HG/T 3344—2012《漆膜吸水率测定法》[16]、GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定方法》[17]等标准，对材料试片进行基本性能、耐热性、划格实验和耐候性实验，结果见表2至表5.

表2 材料基本性能实验结果Tab.2 The basic properties of coating test

表3 材料耐候性实验结果Tab.3 Weathering test results

表4 材料耐热性实验结果Tab.4 Heat resistance results

表5 材料划格性实验结果Tab.5 Cross cut test results

由以上实验结果可以看出，新型FEP材料如基本性能、耐候性、耐热性等方面性能优异，而且与基体钢材之间的附着力较强，能够在长期使用中保持较好附着，无变形、起泡、开裂和剥落.

3.3材料加速实验

根据压力容器和压力管道的实际应用工况，结合材料的常规性能，本研究采用质量分数为5%的NaCl水溶液对聚全氟乙丙烯材料进行加速实验，以进一步确定此材料在长期应用中的耐候性和耐水性.具体方案步骤如下：把制作好的材料试片放入质量分数为5%的NaCl水溶液中，密闭容器后，在相应的温度下浸泡一定的时间后取出试片进行相关检验，实验结果如表6与表7所示.FEP材料表面无明显变化，保持光滑，无鼓泡、脱落、裂纹、起层现象出现，很好地阻止了氯离子等腐蚀性离子的侵入，起到良好的防护效果，实验结果见表6与表7.

表6 材料耐热性实验结果Tab.6 Heat resistance results

表7 材料划格性实验结果Tab.7 Cross cut test results

4 结论

本研究利用正交实验设计的方法，对各影响因子的含量进行研究，根据各因素对材料耐蚀性、耐候性、耐热性等的影响，选择最优含量.新型聚全氟乙丙烯(FEP)分散液材料的施工工艺简单，可采用刷涂、辊涂和等离子喷涂等多种施工方法，效果较好且表面光滑、致密，防腐蚀性能优异.

(1)使用环氧树脂对聚全氟乙丙烯(FEP)树脂共混改性后制成的防腐蚀材料与被涂覆钢材之间形成了较强的结合力，能够使材料与基体钢材牢固结合.

(2)新型聚全氟乙丙烯(FEP)材料具有优良的耐蚀性、耐候性与耐热性，在长期使用过程中无变形、起泡、开裂和剥落等现象，能够在恶劣环境中保持性能不变，是性能优良的防腐蚀材料.

[1] 张炼.埋地管道的外防腐涂层与涂装[J].管道技术与设备,2000(2):38-39.

[2] 缪京媛,叶牧.氟塑料-加工与应用[M].北京:化学工业出版社,1985:202-203.

[3] 刘国杰,夏正斌,雷智斌.氟碳树脂材料及施工应用[M].北京:化学工业出版社,2005:3-8.

[4] 刘结,董亦森.新型氟碳建筑涂料-聚偏氟乙烯涂料[J].广州化工,2000,28(2):19-24.

[5] 李士贤,姚建,林定浩.腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社,1991:33.

[6] 马长江.氟树脂和聚苯硫醚复合涂层制备及性能研究[D].济南:山东大学,2004.

[7] LAPPAN U,GEIBLER U,SCHELER U.The influence of the irradiation temperature on the ratio of Chain Scission to branching reactions in electron beam irradiated polytetrafluoroethylene (PTFE) [J].Macromolecular Materials & Engineering,2007,292(5):641-645.

[8] MOYNIHAN R E.The molecular structure of perfluorocarbon polymers infrared studies on polytetrafluoroethylene1[J].Journal of the American Chemical Society,1959,81(5)：1040-1050.

[9] LAPPAN U,GEIBLER U,SCHELER U.Chemical structures formed in electron beam irradiated poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)(FEP)[J].Macromolecular Materials & Engineering,2006,291(8):937-943.

[10]周立新,程江,杨卓如.氟树脂涂料及其应用[J].合成材料老化与应用,2003(3):39-41.

[11]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.漆膜一般制备法：GB 1727—1992 [S].北京:中国标准出版社，1992.

[12]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.漆膜耐候性测定法：GB/T 1767—1989 [S].北京：中国标准出版社，1989.

[13]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.色漆和清漆 材料老化的评级方法：GB/T 1766—2008 [S].北京：中国标准出版社，2008.

[14]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.漆膜耐热性测定法：GB 1735—2009 [S].北京：中国标准出版社，2009.

[15]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.色漆和清漆 漆膜的划格实验：GB/T 9286—1998 [S].北京：中国标准出版社，1998.

[16]中华人民共和国工业和信息化部.漆膜吸水率测定法：HG/T 3344—2012[S].北京:化学工业出版社,2013.

[17]国家技术监督局.漆膜耐水性测定法:GB/T 1733—93[S].北京:中国标准出版社,1993.

TQ630.7

A

1674-330X(2017)03-0024-04

2017-03-27

河南省质量技术监督局科技计划项目(2015zj21；2016zj01)

李勇(1983-)，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事特种设备的检验工作.