应用聚丙烯腈纤维增强金属管线长效防腐材料抗开裂性能实验研究*

2022-08-01孙世安邱贞慧阮少军郝敬团费逸伟

广州化工 2022年13期

孙世安，邱贞慧，马军，阮少军，郝敬团，费逸伟

(空军勤务学院航空军需与燃料系，江苏徐州 221000)

国内军、地机场供油方式主要以金属管线为主。腐蚀导致埋地金属管线日趋老化，如果不尽早防范，将影响机场的正常供油，甚至在极端情况下会酿成事故和灾难要[1-5]。本工作选用高标号水泥以及有机高分子聚合乳液作为主要原料，并加入外加剂和辅料进行改性，能够在管线外部固化得到如同陶瓷一样坚固且有适度柔韧性能的金属管线长效防腐材料，有望实现管线的长寿命防腐。金属管线长效防腐材料制备过程中，往往会伴随出现一些微小裂纹(如图1为长效防腐材料内部结构照片，可以看到有明显的微裂)。如不能有效消除或预防可能产生的细微裂纹，随着时间的延长，在外界因素的影响下它们极有可能逐步变为贯穿的裂纹，导致防腐材料固化层贯穿脱落，无法达到长效防腐的目的。

图1 防腐材料中的微裂纹

大量工程实践表明，在材料中掺加纤维可起到增加材料抗拉强度和提升弹性模量的作用。聚丙烯腈纤维具有很好的耐酸耐碱性能和延伸性，通过高速搅拌可在水泥中有效分散，并能和材料中的高分子聚合物成充分粘合，本工作拟选用优质聚丙烯腈纤维对金属管线长效防腐材料进行改性，以达到控制材料固化过程中产生微小裂纹的数量，进而强化材料抗开裂性能的目的。

1 试验

1.1 仪器与试剂

试验中用到的主要仪器设备。FEI Quanta 250环境扫描电子显微镜由美国FEI公司生产，HBY-30型养护箱、HLW-5电子拉力试验机及NJ-160砂浆搅拌机由上海乐远实验仪器公司生产。

选用浙江三狮集团特种水泥有限公司生产的PO52.5硅酸盐水泥和扬州天诗新材料科技有限公司生产的丙烯酸聚合乳液为主原料，性能指标如表1和表2所示。

表1 PO52.5硅酸盐水泥性能指标

表2 丙烯酸聚合乳液技术指标

纤维采用江苏海德新材料有限公司生产的聚丙烯腈纤维，主要参数如表3所示。

表3 聚丙烯腈纤维主要参数

消泡剂为江苏腾达助剂有限公司生产的磷酸三丁酯TBP消泡剂，实验用为洁净自来水。

1.2 试验方法

利用平板试验系统(如图2所示)研究聚丙烯腈纤维各掺加量下金属管线长效防腐材料的裂缝降低率。

图2 平板试验系统

取PO52.5硅酸盐水泥2000 g和丙烯酸聚合乳液1200 g，通过控制加入自来水量使浆料流动度为(180±5)mm，加8g磷酸三丁酯TBP消泡剂除去产生的泡沫，依据表4掺加不同比例的聚丙烯腈纤维，在砂浆搅拌机中充分搅拌后，把浆料灌进平板试验系统。设置温度20 ℃、相对湿度65%，并打开碘钨灯照晒样品。

表4 聚丙烯腈纤维掺加量

早期抗裂试验：样品凝固2 h去除下面聚乙烯薄膜，24 h后统计样品裂痕情况。

中长期抗裂：24 h后，持续每天用电扇吹、用碘钨灯照晒样品6 h，并统计7 d、14 d、28 d和90 d样品裂痕情况。

裂缝总面积Acr和裂缝降低率P计算如下：

式中，Acr——裂缝总面积，mm2

Afcr——添加纤维试样

Amcr——对比用基本样

wimax——试样第i条裂缝最大缝宽，mm

li——试样第i条裂缝长，mm

P——裂缝降低率

取上述样品，利用扫描电子显微镜观察断口形貌，真空度3.7×10-6mbar，加速电压30 kV。

2 结果与讨论

图3为聚丙烯腈纤维各掺加量下金属管线长效防腐材料抗裂性能。结果表明，纤维掺加量越多，材料抗开裂性能越优异，并在掺加量为1.0‰时达到最优，此后，加大纤维掺加量，样品抗裂性能不再继续增强。

图3 早期抗裂效果

图4为聚丙烯腈纤维各掺加量下材料中长期抗裂效果。结果表明，加入聚丙烯腈纤维能够显著提高防腐材料的中长期抗裂性能。掺加等量纤维的防腐材料，养护时间越长，抗开裂性能越好。

图4 中长期抗裂效果

扫描电子显微镜观察上述样品断口形貌(图5)发现，掺加的聚丙烯腈纤维紧密粘附在防腐材料固化物之中，防腐材料内部无明显裂纹。这是由于金属管线长效防腐材料制备过程中掺加的聚丙烯腈纤维在高速搅拌作用下分散到防腐材料浆料各处，固化后聚丙烯腈纤维与丙烯酸高分子聚合物充分粘合，这样它们所形成的复合体就能显著增强防腐材料中水泥水化固化产物的力学性能，无数条聚丙烯腈纤维的存在对于可能出现在金属管线长效防腐材料内部的微裂纹能起到“缝合”效果(如图6所示)，消除防腐材料固化过程中自身塑性收缩产生的内应力，进而防止微裂纹贯通成为大宏观裂纹。