曾 邵 楊增朝 楊華平

(1.上海富晨化工有限公司技術(shù)研究中心， 上海 200241；2.中國科學院理化技術(shù)研究所， 北京 100190)

0 前言

我國大多數(shù)燃煤電廠采用石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)[1]。這種技術(shù)采用的FGD系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運行的材料主要是石灰石- 石膏漿液及其他物料。這些流體具有一定的腐蝕性和較強的磨損性，對漿液循環(huán)泵、葉片及管道等脫硫裝置產(chǎn)生嚴重的腐蝕、磨損[2]。

現(xiàn)有的FGD系統(tǒng)的耐磨耐蝕材料主要有鎳基耐蝕合金、橡膠襯里、鱗片膠泥、耐磨鱗片膠泥、玻璃鋼、耐蝕塑料、耐蝕硅酸鹽材料等。這些材料具有不同的性能特點，應用區(qū)域也各不相同。針對重點區(qū)域的磨損需求，不少專業(yè)學者和技術(shù)人員對先進陶瓷基復合材料做了大量研究，一般采用級配的碳化硅(SiC)、剛玉粉(主要成分為Al2O3)或陶瓷粉(主要成分為SiO2和Al2O3)與環(huán)氧樹脂(或環(huán)氧乙烯基酯樹脂)復合，研制出多種陶瓷類耐磨耐蝕材料[3-5]。其中碳納米材料改性樹脂/陶瓷/纖維混雜復合材料是根據(jù)不同材料組合的力學性能差異研制出來的，目前已有成功應用案例[6]，但是研究者未進一步對比測試上述陶瓷混雜復合材料和普通復合材料的耐磨性能指標差距。陶瓷粉分為許多種類，即使是同一種陶瓷粉，也會因為其生產(chǎn)工藝的不同而具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，進而表現(xiàn)出較大的性能差異，如相比微米結(jié)構(gòu)陶瓷，納米結(jié)構(gòu)陶瓷的隔熱效果明顯提高[7]。本文以高性能樹脂為基體、以球形多孔陶瓷和納米氧化鋯等為骨架材料，以碳化硅晶須為補強增韌材料，研制了一種新型具有高耐磨耐蝕性能的RCC樹脂/陶瓷聚合體材料，并對其耐磨性能、熱穩(wěn)定性、粘接性能和力學性能進行研究。

1 RCC樹脂/陶瓷聚合體材料的實驗研制

1.1 原材料

RCC樹脂/陶瓷聚合體材料研制所需的材料包括高性能環(huán)氧樹脂、球形多孔陶瓷(圖1)、碳化硅晶須(圖2)、納米氧化鋯、固化劑、偶聯(lián)劑以及其他助劑。

圖1 球形多孔陶瓷的放大照片

圖2 納米碳化硅晶須掃描電鏡圖

1.2 制備工藝

首先分別對球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯采用偶聯(lián)劑進行表面改性處理，然后按照一定的比例將它們先后倒入已添加助劑的高性能樹脂中，并攪拌均勻，最后加入固化劑，再次攪拌均勻，即可制備出RCC樹脂/陶瓷聚合體材料。最后，把RCC樹脂/陶瓷聚合體材料涂覆到經(jīng)噴砂處理的鋼板上制成樣塊。

1.3 性能測試設備及標準

1)摩擦磨損性能測試。設備采用美國Falex多試件摩擦磨損試驗機，測試標準采用《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》(GB/T 3960—2016)。

2)熱穩(wěn)定性測試。設備采用普通熱穩(wěn)定性測試儀，其由加熱爐體、恒溫水槽、送試樣機構(gòu)和控溫儀表等4個部分組成。

3)底涂粘接性能測試設備采用進口HATE液壓附著力測試儀。測試方法采用《用便攜式附著力測試儀測定涂層拉脫強度的標準試驗方法》(ASTM D 4541—2009)中的拉開法。

4)力學性能測試。設備采用德國Zwick Roell集團制造的Zwick Allround電子萬能材料試驗機，測試標準采用《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 1447—2005)、《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》(GB/T 1449—2005)。

2 RCC樹脂/陶瓷聚合體材料的性能測試結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

純樹脂樣塊、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥樣塊與RCC樹脂/陶瓷聚合體樣塊在不同摩擦時間下的磨損量如圖3所示。

圖3 純樹脂、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥及 RCC樹脂/陶瓷聚合體的磨損量

由圖3可知，在摩擦時間為60 min時，RCC樹脂/陶瓷聚合體樣塊的磨損量為1.0 mg，VEGF- 1耐磨鱗片膠泥樣塊的磨損量為5.2 mg，純樹脂樣塊的磨損量為13.8 mg。這表明在樹脂基體中加入球形多孔陶瓷、納米氧化鋯和碳化硅晶須可大大提高RCC樹脂/陶瓷聚合體的耐摩擦性能。這是因為碳化硅晶須和納米氧化鋯具有較高的表面能，對樹脂中的大分子鏈產(chǎn)生吸附作用，從而可以傳遞和吸收分子鏈之間的應力，同時阻礙樹脂中的大分子呈條狀剝離，減弱樹脂基體的摩擦磨損；更重要的是，球形多孔陶瓷骨架對樹脂基體具有很強的束縛作用，可以有效減少樹脂基體在摩擦過程中產(chǎn)生的形變，同時球形多孔陶瓷的特殊結(jié)構(gòu)成為載荷的主要承受骨架，分擔了絕大部分載荷，減少了樹脂基體與外界的摩擦接觸，有效地保護了樹脂基體，使磨損量降低到最低水平。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

采用熱穩(wěn)定性測試僅對RCC樹脂/陶瓷聚合體(樣件尺寸為30 mm×6 mm×4 mm)的熱穩(wěn)定性進行測試，并與VEGF- 1耐磨鱗片膠泥、純樹脂的熱穩(wěn)定性進行對比。設定加載速率為1 mm/min，測量RCC樹脂/陶瓷聚合體的尺寸隨溫度改變而出現(xiàn)的變化，觀察RCC樹脂/陶瓷聚合體在高溫條件下的尺寸穩(wěn)定性。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 純樹脂、VEGF- 1耐磨鱗片膠泥及RCC樹脂/陶瓷聚合體的熱穩(wěn)定曲線

從圖4中可以看出，純樹脂基體在溫度大于80 ℃時開始發(fā)生熱變形，到180 ℃時，熱變形量達到0.72%；而以這種樹脂制成的VEGF- 1耐磨鱗片膠泥在溫度為120 ℃時開始發(fā)生形變，在180 ℃時熱變形量為0.34%；而RCC樹脂/陶瓷聚合體在180 ℃時仍然沒有發(fā)生尺寸變化，這說明球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯等材料的加入使RCC樹脂/陶瓷聚合體的熱穩(wěn)定性與VEGF- 1耐磨鱗片膠泥相比至少提高了50%。這是因為這些骨架材料本身耐熱性較好，在高溫條件下不易發(fā)生形變，同時球形多孔陶瓷特殊的球形空洞結(jié)構(gòu)還可以約束樹脂基體的形變。

2.3 粘接性能分析

在150 mm×150 mm×5 mm的單面鋼板上進行噴砂除銹，使除銹等級達到Sa2.5級，即粗糙度達到75左右，再將配制好的RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂層涂覆在鋼板上。鋼板樣件經(jīng)固化處理后再采用拉開法進行測試，共測試5個樣件，金屬粘接頭的直徑為19.2 mm，粘接面積為280.0 mm2。拉開法是可以在涂裝現(xiàn)場檢測附著力的方法，能更加直觀、更及時地測出涂層與基材之間的附著力[8]。測試結(jié)果見表1。

表1 RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂粘接強度 MPa

由表1可知，RCC樹脂/陶瓷聚合體底涂的附著力大于20 MPa。而目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的附著力不超過8 MPa，這說明RCC樹脂/陶瓷聚合體在粘接性能方面遠遠優(yōu)于襯膠。

2.4 力學性能分析

采用電子萬能材料試驗機對RCC樹脂/陶瓷聚合體(樣件尺寸為30 mm×6 mm×4 mm)的抗彎強度和抗壓強度進行測試，共測試了5個樣件，測試結(jié)果見表2。

表2 RCC樹脂/陶瓷聚合體力學性能測試結(jié)果 MPa

從表2可以看出，RCC樹脂/陶瓷聚合體的平均抗彎強度為29.2 MPa，平均抗壓強度為293.8 MPa。而目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的抗彎強度小于10 MPa，抗壓強度小于100 MPa，這說明RCC樹脂/陶瓷聚合體在力學性能方面遠遠優(yōu)于襯膠。

3 RCC樹脂/陶瓷聚合體的應用

針對FGD系統(tǒng)內(nèi)高磨損區(qū)域、設備或管道的磨損特點和要求，以高耐磨耐蝕RCC樹脂/陶瓷聚合體材料為基礎(chǔ)，可以制定FGD系統(tǒng)耐磨防腐蝕問題的解決方案。

目前，RCC樹脂/陶瓷聚合體已應用于FGD系統(tǒng)脫硫塔內(nèi)防腐蝕部位、漿液循環(huán)管道彎頭、變徑接頭、法蘭端面等易磨損部位的修復，也廣泛應用于含大量粉塵、耐磨防腐蝕需求高的領(lǐng)域。山東某石化熱電廠、新疆某熱電廠已在典型工藝過程中應用該產(chǎn)品，并收到良好效果，每年可節(jié)省大量的維修費用，也延長了裝置和設備的持續(xù)運行時間。

4 結(jié)論

通過上述耐磨性能、熱穩(wěn)定性、粘接性能及力學性能分析可知，RCC樹脂/陶瓷聚合體是一種優(yōu)質(zhì)耐磨耐蝕材料，具有如下優(yōu)點：

1)適應性廣。針對不同應用環(huán)境和部件，可調(diào)整RCC樹脂/陶瓷聚合體的制作配比，使其滿足各種復雜工況。

2)耐磨性好。經(jīng)過特殊處理，RCC樹脂/陶瓷聚合體具有優(yōu)異的耐磨性能，表面光潔度高，運行阻力小，耐磨強度高。

3)防腐性優(yōu)。RCC樹脂/陶瓷聚合體可耐酸、堿、鹽水、有機溶劑、氧化物等多種介質(zhì)的腐蝕。

4)粘接性強。RCC樹脂/陶瓷聚合體配套專用底涂具有超強的附著力，可以直接涂刷在碳鋼、不銹鋼、鈦、玻璃纖維、復合材料、塑料及混凝土的表面[8]，RCC樹脂/陶瓷聚合體與碳鋼基體的粘接強度大于20 MPa，其粘接性能遠優(yōu)于襯膠。

5)力學性能優(yōu)。RCC樹脂/陶瓷聚合體的平均抗彎強度和平均抗壓強度均遠遠超過襯膠。

6)安全性高。RCC樹脂/陶瓷聚合體具有較高的熱穩(wěn)定性，180 ℃時形變?nèi)匀缓苄?。產(chǎn)品為難燃設計，可有效消除施工過程中的火災隱患。

7)工藝性佳。施工簡單、方便，且RCC樹脂/陶瓷聚合體可修復性好，使用壽命長。