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[分享] 每日更新20241114【战疫纪念~2022春天~上海疫情封控】《乙烯基酯树脂及其树脂重防腐应用》更新到第五版

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5.9 耐热性

和结晶性的热塑性高分子材料用熔点来表达其加工温度和使用温度不一样的是,热固性树脂固化物是一种非结晶性材料,其耐热性多用热变形温度(HDT)和玻璃化转变温度(Tg)来表达,在实践中,HDT应用居多。

乙烯基酯树脂固化物的耐热性和以下因素有关:①乙烯基酯部分的分子结构式;②单体种类及含量;③不饱和双键的密度,即架桥交联密度;④固化剂、固化方式、后处理方式;⑤填料、纤维种类和含量。

乙烯基酯树脂主链酯部分分子量越大,交联固化后的耐热性能相对主链分子量小的乙烯基酯树脂的HDT更低,这就是乙烯基酯部分分子量大的OYCHEM®8002双酚A型乙烯基酯树脂纯树脂浇铸体的HDT(100℃~110℃)较之乙烯基酯部分分子量小的OYCHEM®8003双酚A型乙烯基酯树脂纯树脂浇铸体的HDT(110~125℃)要低的原因。

乙烯基酯部分分子式构造双键相对含量越高,最终树脂的HDT越高,这也是为什么主链双键相对含量更高的酚醛型乙烯基酯树脂浇铸体HDT(130℃~165℃)要远高于酯部分双键相对含量低的标准双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体HDT(100℃~130℃)的原因所在。

乙烯基酯树脂酯部分的刚性大小,含硬段苯环多少,都会影响固化物的HDT。这也是主链苯环含量高的标准双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体HDT高于主链苯环含量低的富马酸己二酸型乙烯基酯树脂浇铸体HDT(80℃~105℃)的原因所在。

乙烯基酯树脂合成过程采用一元不饱和羧酸对最终树脂的HDT也有影响。含有侧甲基的甲基丙烯酸合成的标准双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体HDT高于侧链没有甲基的丙烯酸合成的双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体HDT(典型为80℃~105℃)普遍要高5℃~15℃。

乙烯基酯树脂除酯部分对HDT有影响外,交联单体的分子量、官能度、双键含量、刚性基团含量等对最终树脂的HDT都有影响。这就是采用DAP、TPGDA、TMPTA等多官能度稀释单体相较于采用苯乙烯为稀释单体得到的乙烯基酯树脂的HDT更高的原因所在。如采用多官能度单体的超耐热型OYCHEM®8077HT浇铸体HDT可达230℃,远高于一般酚醛型乙烯基酯树脂OYCHEM®8007的150℃,其200℃长期耐热稳定性也更好,重量损失率较后者低,一般5000h后仅有3%不到。

乙烯基酯树脂的交联单体含量也对最终树脂的HDT有影响。在活性较高的乙烯基酯树脂中,苯乙烯单体太多会导致HDT下降,如笔者开发的标准酚醛型乙烯基酯树脂的苯乙烯含量分别为30%、36%、45%时的浇铸体的HDT分别约为155℃、150℃、135℃。

乙烯基酯树脂整个体系的不饱和双键的密度,即架桥交联密度是影响最终HDT的非常大的因素。双键密度和酯部分主链有关,也与稀释单体有关。

乙烯基酯树脂的固化剂选择、固化剂添加量是否得当也会影响到树脂的HDT,尤其是不再进行加热后处理的制品,影响更大。这就是选择蓝白水I号体系常温下对乙烯基酯树脂进行固化后的耐热温度超过选择二甲基苯胺/过氧化苯甲酰的II号体系常温固化后的耐热温度的原因所在。根据工艺温度和成型方法,选择合适的固化剂,对乙烯基酯树脂进行固化,是得到机械性能优异、耐热优异的乙烯基酯树脂固化制品的前提。固化剂的添加量太少,引发自由基不足,容易导致最终树脂的固化不良,特别是不再进行后加热处理的情况下,更容易导致固化物的固化不足、耐热不足。固化剂添加量太多,不仅会导致可操作时间下降,难以施工,还会导致固化物太脆,耐冲击性能下降严重。其次,固化剂添加超量之后,还可能导致树脂根本不固化了,这是自由基固化的原理,详细解释请参见“5.2 固化剂”部分介绍。乙烯基酯树脂的固化方式也会严重影响到最终树脂的HDT,如乙烯基酯树脂拉挤FRP制品的耐热温度一般远高于手糊常温固化乙烯基酯树脂FRP制品。

加热后处理与否、后处理的温度高低、后处理时间、后处理温度升降的程序等后处理工艺都会严重影响到乙烯基酯树脂制品的最终耐热性能和耐腐蚀性能。实验室很容易做到理想状态下的加热后处理,并且可以控制梯度加热程序,但在防腐作业现场,是很难做到这一点的。防腐蚀施工现场比较简易的方法有:①户外放置半月,对大型FRP制品适用;②红外线加热灯,或卤化灯加热烘烤,注意均匀烘烤,避免局部烘烤出现质量问题;③现场热风扇吹扫;④蒸汽加热吹扫,再用约80℃热水浸泡,对FRP制品适用。

对乙烯基酯树脂复合材料而言,影响最终耐热温度的因素除树脂、固化剂、成型工艺外,还有填料、纤维种类和含量。无机填料含量越高,玻璃纤维含量越高,最终制品的耐热越好。填料和纤维的种类不同,耐热性能也不尽相同,耐热性能优异的填料或纤维可以一定程度上提高乙烯基酯树脂复合材料制品的耐热性能,如碳纤维、石英粉、陶瓷粉、金刚砂等相较于有机纤维、玻璃纤维、滑石粉、氢氧化铝等的耐热温度更高。

热变形温度HDT的评价标准有ASTM D648、GB/T 1634.2等标准。测试HDT时需要标注测试方法和载荷。常见的乙烯基酯树脂测试HDT时,标注维卡-热变形温度仪,载荷1.8MPa。其他方法如TMA、DMA测试结果也可以定性比较HDT大小。

玻璃化转变温度Tg的测试方法有TMA、DMA、DSC等,不同方法测试出来的结果不尽相同。一般情况下,乙烯基酯树脂浇铸体的玻璃化转变温度Tg要较其维卡热变形温度HDT高出15℃~30℃。

一般标准双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体的HDT在100℃~130℃,一般富马酸己二酸体系的双酚A型乙烯基酯树脂浇铸体HDT在80℃~105℃,一般常规酚醛环氧型乙烯基酯树脂浇铸体HDT在130℃~165℃。添加无机填料后的FRP的HDT会升高,升高多少和无机填料或纤维的种类、含量有关。

市场上不同乙烯基酯树脂供应商提供的乙烯基酯树脂产品的HDT不尽相同,有些小厂的双酚A型乙烯基酯树脂的HDT要低于95℃,酚醛型VER也低于130℃

耐热性能评价时,大家往往容易接受HDT,它是一个长期耐热指标,但实际上还有几个耐热指标,大家容易忽视,但又非常重要,包括以下几个。

(1)瞬间耐温,也叫短期耐温,指的是乙烯基酯树脂复合材料制品在几分钟到半小时的短期内的耐受最高温度上限,这个数值往往高出纯树脂的HDT不少,如高交联密度型酚醛型乙烯基酯树脂,纯树脂浇铸体的HDT在150℃~170℃,而其玻璃鳞片胶泥的短期瞬间耐温可达200℃~230℃,长期耐温也可达180℃。

(2)高温下强度保持率,如耐热弯曲性能就是一个典型的高温下强度参数,它反映的是乙烯基酯树脂在高温下承受载荷的能力。表5.9是酚醛型乙烯基酯树脂(OYCHEM®8007)4mm浇铸体在不同温度下的强度保持率。

5.9 OYCHEM®8007酚醛型乙烯基酯4mm浇铸体高温强度保持率
竞争牌号(酚醛乙烯基酯树脂)
OYCHEM®8007
25℃初期弯曲强度/模量
117MPa/3.1GPa
116MPa/3.3GPa
150500h之后弯曲强度/模量
110MPa/2.9GPa
121MPa/3.3GPa
200500h之后弯曲强度/模量
96MPa/3.1GPa
96MPa/3.2GPa
150500h之后重量损失率
2.4%
0.6%
200℃500h之后重量损失率
6.0%
2.5%

(3)耐温骤变性能,乙烯基酯树脂固化后是一种刚性材料,一个很大的不足就是耐温骤变不足,尤其是温差较大的骤变。耐频繁的温度骤变不足,粘结性能快速下降,容易脱落,力学机械性能衰减非常快。

(4)耐热耐蚀,这是一个和单独耐蚀不同,和单独耐热也不完全相同的概念,它反映的不仅是需要耐热,还需要在某个高温下同样耐蚀,这方面是乙烯基酯树脂相较于其他热固性树脂最大的优势,一般乙烯基酯树脂制品在浸泡介质中的最大耐蚀温度都低于其材料本身的耐气相高温温度。

(5)耐热老化性能,这是表示乙烯基酯树脂复合材料制品在长期高温下,其材料性能劣化下降的程度。有些乙烯基酯树脂的短期耐温很高,但长期耐热稳定性并不一定很好,其原因和它的分子式结构稳定性有很大关系,如超耐热改性的酚醛型乙烯基酯树脂较之普通的酚醛乙烯基酯树脂的短期耐热温度高出很多,但其在长期耐热性能方面并不比后者好多少。

(6)耐压耐载荷下的耐热耐蚀性能,带压力和载荷条件下的腐蚀和耐热和常压零载荷下完全是两码事。

以上
欧阳
更新于2022年11月21日 AM8:00
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5.10 耐水性和耐碱性

乙烯基酯树脂结构式中酯键部分是最不稳定的部分,在路易斯酸、碱催化下,易水解。在碱性环境中水解后与Na+形成水溶性的金属盐,反应是不可逆的;在酸环境中水解反应是可逆的。

从上面的酯键在酸、碱性环境中的水解可以得知,乙烯基酯树脂的耐酸水解性能远胜于耐碱水解性能。

图5.10  酯基浓度和耐水解时间关系

不稳定的酯键水解特征如下:①温度升高,酯键水解、醇解的速度更快;②酯键含量越大,相应透湿性越大,越不耐水解,特别是热水解和碱腐蚀。从图5.10可以看出:酯键浓度减半,耐水解时间延长20倍。

由表5.10可知乙烯基酯树脂中酯键含量远少于不饱和聚酯树脂,这就是为什么相较于不饱和聚酯树脂,乙烯基酯树脂的耐水解性和耐碱性更好。

5.10 不同树脂酯浓度
树脂种类
浓度/(×10-3mol/mL)
邻苯型不饱和聚酯树脂
8~9
间苯型不饱和聚酯树脂
8~9
双酚A型不饱和聚酯树脂
2.5~3.5
双酚A型乙烯基酯树脂
1.2~1.6

乙烯基酯树脂的耐水解性和耐碱性与以下因素有关。

(1)乙烯基酯树脂酯部分的酯键浓度。酯部分的酯键浓度越大,耐水解性和耐碱性越差,这导致富马酸改性型双酚A型乙烯基酯树脂因酯键浓度大于标准双酚A型乙烯基酯树脂酯键浓度,从而其耐碱性明显不如后者。以OYCHEM®8001为例的标准双酚A型乙烯基酯树脂和富马酸改性型双酚A型乙烯基酯树脂的酯键密度的理论计算公式请参见本书“9.8.1.1 酯键密度”。

(2)乙烯基酯树脂酯部分的酯键位置、受保护程度。连接酯键两端的分子结构式的大小、酯键周边空间位阻(尤其以β位重要)等,都对乙烯基酯树脂酯部分发生酯解的难易程度产生影响,酯键两端的分子结构越大,空间位阻越大,酯键受保护程度越高,发生水解或碱性酯解就越难。

(3)交联单体含量、官能度、酯键浓度。采用不含酯键的苯乙烯相较于采用含有酯键的(甲基)丙烯酸酯类交联单体,耐水解和耐碱性更好。苯乙烯含量越高,最终固化物的酯键相对含量越低,耐碱性也越好。

(4)整个乙烯基酯树脂酯部分的疏水性及分子量。整个乙烯基酯树脂酯部分的吸水性越强,耐水煮性能就越差。酯部分分子量的大小对最终分子结构的极性也有影响。

(5)双键交联密度。交联密度越大,耐水解和耐碱性能越好。

(6)对于有机碱而言,除了考虑碱性环境的腐蚀之外,还需要考虑有机碱溶剂的溶胀渗透性能,这方面可参考“5.12 耐溶剂性”。

氢氧化钠等某些碱的腐蚀性随着浓度的升高先变强(最高温度变小),然后再下降(最高温度变大);氢氧化钠的腐蚀性在其5%~25%区间的溶液是最强的,这与一般的化学介质的腐蚀性随浓度的升高而变强的特点不一致。因此乙烯基酯树脂耐5%~25%氢氧化钠液的能力反倒不如耐40%以上氢氧化钠腐蚀的能力。

采用富马酸己二酸改性的双酚A型乙烯基酯树脂含有更多的酯键和具有更高的固化交联密度,更高的酯键密度(酯键之间间距变短),而酯键容易受高温碱溶液的水解攻击,且水解过程是不可逆的,所以酯键密度越大,耐碱性就越差。但耐碱性与耐酸/溶剂性是一对矛盾体,耐碱性越好,耐酸和耐溶剂性越差,采用富马酸己二酸改性的双酚A型乙烯基酯树脂与酚醛型乙烯基酯树脂的耐碱性明显不如标准双酚A型乙烯基酯树脂。

耐碱性和耐水解性能,不仅与树脂有关,还与纤维和填料有关。C型玻璃纤维耐碱性不好,不含酯键的有机纤维常用作为耐碱玻璃钢制品的耐腐蚀阻挡层的增强材料。有机纤维与玻璃纤维相比具有较好的耐化学腐蚀性能,特别是在耐水、耐氢氟酸和耐碱性方面有其独到之处,但树脂基有机纤维复合材料的缺点是力学强度较玻璃纤维差。在80℃条件下,绦纶不能达到耐碱性要求(因绦纶的化学组成是聚酯纤维,含有大量的酯键,在80℃碱液作用下易水解),维纶的耐碱性尚可(化学构成是聚乙烯醇缩甲醛,常温下耐碱性良好,但耐热水性不好),锦纶的耐碱性良好(化学构成为聚酰胺,不含酯键等易水解的基团,能耐碱液介质的作用)。

以上
欧阳
更新于2022年11月21日 PM22:30
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5.11 耐酸和酸性介质

酸和酸性介质分为无机酸、有机酸、氧化性强酸,环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、呋喃树脂都可作耐酸树脂使用,但基本都只能耐受低浓度、低温的无机酸(酚醛树脂耐醋酸性能优异,这是特例),对于高浓度酸和具有一定温度的无机酸、有机酸、氧化性酸,除乙烯基酯树脂之外的其他四大常用热固性树脂都很难耐受。常见的几种树脂浇铸体在不同介质中99℃浸泡1年后的强度保持率见图5.11。

耐酸性是乙烯基酯树脂突出的优势。耐酸性和树脂的交联密度、酯键含量、酯键受保护程度等有关。对于无机酸,耐腐蚀性考虑的方向,除了考虑耐酸性之外,还需要考虑无机酸的氧化性;对于有机酸,除了考虑耐酸性之外,还需要考虑抗有机酸的溶胀渗透性。关于有机溶剂的溶胀渗透,可参考“5.12 耐溶剂性”的介绍。

针对常见的中低浓度的硫酸、盐酸、硝酸、磷酸等无机酸,液态酸只要不超过酸溶液的沸点温度,乙烯基酯树脂都能在一定程度耐受,值得注意的是中低浓度的无机酸,在有温度、常压、敞口时,水分蒸发后酸的浓度会变高,这时其耐受温度也会下降。

强酸就是在水溶液中完全电离的酸,弱酸就是在水溶液中部分电离的酸。大部分强酸均是腐蚀性的,但当中亦有例外。例如超强酸当中的碳硼烷酸,其酸性比硫酸高百万倍,但却完全不带有腐蚀性;相反,弱酸当中的氢氟酸(HF)却有很大的腐蚀性,而且能溶解绝大部分的金属氧化物,诸如玻璃以及除了铱以外的所有金属。

图5.11 各类树脂浇铸体的耐药品性比较(99℃/1年浸泡)

同一主族内元素和氢化合形成的酸,由上到下随非金属性减弱而增强,例如:氯的非金属性强于溴,盐酸的酸性小于氢溴酸;同一元素的含氧酸,元素的化合价越高,该含氧酸酸性越强,比如硫酸酸性强于亚硫酸,高氯酸强于氯酸;元素周期表中非金属元素形成的高价含氧酸,由左到右酸性依次增强,例如磷酸酸性弱于硫酸,硫酸弱于高氯酸。电负性:在同一元素周期下其共轭碱的负电性愈高,它的酸度就愈高。原子半径:原子半径增加,其酸度也会增加。以氢氯酸及氢碘酸为例,两者均是强酸,在水中均会电离出100%的相应离子,但是氢碘酸的酸度比氢氯酸要强,这是因为碘的原子半径远大于氯的原子半径。带有负电荷的碘阴离子拥有较离散的电子云,因此与质子(H+)的吸力较弱,因此,氢碘酸电离(去质子化)的速度更快。电荷:电离后的物质愈带有正电荷,酸度就愈高。因此中性离子较阴离子容易放出质子,阳离子也比其他分子具有更高酸度。

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欧阳
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(1)盐酸,分子式HCl,由氯气和氢气直接化合,生成氯化氢气体,溶于水就是盐酸,是常见的强酸,可以和比氢活泼的金属反应,有腐蚀性,具有酸的通性,容易挥发。盐酸是一种还原性酸,任何浓度,只要在其沸点以下,乙烯基酯树脂都能耐受。更多应用信息请参考本书“17.6 树脂重防腐在盐酸、硝酸、磷酸、氢氟酸工业腐蚀与防护领域的应用”。

(2)硫酸,分子式H2SO4,三氧化硫溶于水形成硫酸,是常见的强酸,具有酸的通性;其中浓硫酸除了具有酸的通性外,还有具有强烈的吸水性、脱水性、氧化性。硫酸是一种酸性极强的酸,浓度65%以下呈还原性,乙烯基酯树脂非常容易耐受的;65%~85%的硫酸,低温下呈还原性,乙烯基酯树脂可以耐受,但在高温或沸点下呈氧化性,耐受温度下降,且只能采用交联密度较高的酚醛型乙烯基酯树脂;85%以上浓度或发烟硫酸,在任何温度段都是具有强氧化性的,即使是酚醛型乙烯基酯树脂,也耐受不了其长期浸泡,但可以耐受短期接触或气相接触,如地坪、风管等还是可以采用乙烯基酯树脂来制作的。硫酸在露点附近的腐蚀是非常严重的,会大大缩短乙烯基酯树脂的使用寿命。烟气中SO3露点腐蚀非常严重,烟气中空气过量、碳含量高、H2O和SO3越少,SO3露点越低;燃料中硫含量越大,烟气中SO3露点越高。更多有关硫酸相关行业的设备耐蚀材料中用到树脂防腐的部分,请参考本书“17.5 树脂重防腐在硫、二氧化硫、亚硫酸、硫酸及硫酸工业腐蚀与防护领域的应用”。

(3)硝酸,分子式HNO3,二氧化氮或者五氧化二氮溶于水形成硝酸,是常见的强酸,具有酸的通性,另外硝酸具有很强的氧化性,是强氧化性酸,氧化性比浓硫酸强,不稳定,受热分解,容易挥发。更多应用信息请参考本书“17.6 树脂重防腐在盐酸、硝酸、磷酸、氢氟酸工业腐蚀与防护领域的应用”。

盐酸、硫酸和硝酸是最常见的三大无机强酸,其中硫酸酸性最强,其次是盐酸,最后是硝酸。氧化性硝酸最强,常温下就能和除金、铂、铱等惰性金属除外的所有金属和碳、硫、磷等非金属反应;其次是浓硫酸,氧化的物质和硝酸一样,但是需要加热,才能表现出强氧化性。盐酸和稀硫酸氧化性弱,是普通的强酸。

常见的无机酸,还有:高锰酸,强酸,有强氧化性;碳酸,弱酸,不稳定,容易分解;磷酸,中强酸,具有酸的通性;亚硫酸,中强酸,酸性强于磷酸;次氯酸,弱酸,有强氧化性,不稳定,容易分解;氯酸,强酸,酸性强于盐酸,和硫酸相当,40℃就开始分解,容易爆炸,氯酸盐类也容易分解爆炸;高氯酸,最强的无机单酸,酸性比硫酸强10倍,常温下有弱氧化性,受热时氧化性很强,强于硝酸;氢氟酸,中强酸,具有酸的通性,有很强的腐蚀性,能和大多数金属反应,还能腐蚀玻璃、橡胶等有机物,有挥发性;氢溴酸,强酸,酸性和硫酸相当,有腐蚀性,有挥发性;氢碘酸,最强的不含氧无机单酸,酸性是硫酸的2.5倍,不稳定,容易分解,有挥发性。

氧化性酸:是指酸中除了氢、氧元素之外的中心元素在化学反应中表现出强氧化性。这是一个狭义范围的定义,从广义来说,所有的酸都有氧化性,都是氧化性酸,只不过氧化性强弱不同罢了。氧化性酸,指的是有强氧化性的含氧酸;酸性强未必氧化性强,氧化性强未必酸性强。常见的氧化性酸或者酸盐如下所述。①硝酸,不管是稀硝酸,还是浓硝酸都有强氧化性,浓硝酸的氧化性大于稀硝酸,可以氧化除金、铂、铱等贵金属之外的所有金属和碳、磷、硫等非金属。②浓硫酸,必须是浓硫酸,稀硫酸则和盐酸一样,氧化性很弱,浓硫酸由于硫酸分子浓度很高,中心元素硫是最高价+6价,表现出强氧化性,氧化性弱于硝酸,常常需要加热才能表现出强氧化性,和高氯酸相似。③高锰酸钾,高锰酸的钾盐,有很强的氧化性,氧化性强于硝酸,可以将盐酸氧化成氯气,硝酸、浓硫酸则做不到。④氯酸,氯酸钾,有强氧化性,强于硝酸,弱于高锰酸钾,容易爆炸分解。⑤氯酸,有强氧化性,但容易分解,氧化性强于硝酸,强于氯酸,强于高氯酸,弱于高锰酸。⑥双氧水,就是过氧化氢,强氧化性,容易分解,有较强的腐蚀性。

酸性从强到弱排名:高氯酸>氢碘酸>氢溴酸(≈硫酸)>氯酸>盐酸>硝酸>草酸>亚硫酸>磷酸>氢氟酸>甲酸>乙酸>碳酸>双氧水。

氧化性从弱到强排名:高锰酸钾<次氯酸<双氧水<氯酸<高氯酸<硝酸<浓硫酸。其他酸氧化性很弱,可以忽视。

有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸,其酸性源于羧基 (—COOH)。磺酸 (—SO3H)、亚磺酸(RSOOH)、硫羧酸(RCOSH)等也属于有机酸。有机酸都具有腐蚀性,只是腐蚀性的作用相差比较大。有机酸多溶于水或乙醇呈显著的酸性反应,难溶于其他有机溶剂。

常见的有机酸有:①乙酸,又叫醋酸,分子式CH3COOH,典型有机弱酸,酸性强于碳酸,具有酸的通性;②甲酸,分子式HCOOH,有机弱酸,酸性强于乙酸,有腐蚀性,具有酸的通性;③草酸,分子式HOOCCOOH,有机中强酸,酸性强于磷酸,和亚硫酸差不多,有较强的腐蚀性;④环烷酸,是一大类有机酸的统称。重点说一下醋酸和环烷酸。

醋酸是有机酸中腐蚀性最强的物质之一,普通钢铁在一切浓度和温度的醋酸中都会严重腐蚀,不锈钢是很好的耐醋酸材料。热固性树脂中,酚醛树脂是耐冰醋酸最好的材料,其次是乙烯基酯树脂。

环烷酸是原油中有机酸的总称,是原油中主要的酸性氧化物,约占石油酸性含氧化合物的90%左右。环烷酸一般是一元羧酸,其环烷环数从1至5,且多为稠合环系。环烷酸呈弱酸性,容易与碱反应生成各种盐类。环烷酸引起的腐蚀,与硫化物腐蚀不同,低分子环烷酸因酸性较强而对设备的腐蚀性更强,特别是酸值较大、有水存在和较高的温度下,对设备腐蚀更为严重。环烷酸腐蚀主要发生在炼油装置的高温部位。环烷酸的腐蚀作用受温度的影响比较大,在220℃以下几乎没有腐蚀作用,随着温度的升高,腐蚀逐渐加剧。一般情况下,当原油的酸值大于5mgKOH/g,温度在270℃~280℃和350℃~400℃时,环烷酸腐蚀较为严重。通常,在环烷酸汽液相变化时,尤其是低于环烷酸沸点或冷凝温度时,腐蚀最强烈。

由于第17章并未有特别针对金属材料耐酸的章节,所以在此稍作介绍,使读者对常见的金属材料耐酸性能有一基本了解。

碳钢在典型无机酸中的耐蚀性:①碳钢在硫酸介质中,常温情况下当硫酸浓度小于60%时,随着硫酸浓度的增加腐蚀速度加快,当硫酸浓度大于60%时,随着硫酸浓度的增加腐蚀速度会降低,98%的硫酸对碳钢就没有腐蚀了;②碳钢在硝酸介质中,室温情况下在稀或浓的硝酸中耐蚀性均较差,但在40%~90%的硝酸中腐蚀速率交小,可以使用;③碳钢在盐酸环境下腐蚀强烈,随着盐酸的浓度和温度的升高而加快,也随着钢中碳含量的增加而增加;④碳钢在氢氟酸介质中,氢氟酸对金属的腐蚀性极强,只有少数金属在室温下能耐其腐蚀,铁和不锈钢都不耐氢氟酸腐蚀。

不锈钢在典型无机酸中的耐蚀性:①不锈钢在硫酸介质中,在温度较高时,铁铬合金在硫酸中的腐蚀速率较大,铬镍不锈钢的腐蚀性优于铬钢;②不锈钢在硝酸介质中,304L、310和2RE69有良好的耐腐蚀性能;③不锈钢在盐酸介质中,仅在稀盐酸中室温下腐蚀速率较小,容易产生局部腐蚀;④不锈钢在氢氟酸介质中,氢氟酸对金属的腐蚀性极强,只有少数金属在室温下能耐腐蚀,铁和不锈钢都不耐氢氟酸腐蚀;⑤不锈钢在磷酸介质中,磷酸水溶液是非氧化性介质,高温磷酸几乎能腐蚀所有的金属和氧化物,在纯磷酸中碳钢不耐腐蚀,但在钢中加入铬、镍和钼能提高抗磷酸腐蚀性,304和316L有较好的耐磷酸腐蚀性,但随着磷酸温度和浓度的增加腐蚀速率也会加快。

铜在典型无机酸中的耐蚀性:①铜在硫酸介质中,铜在稀硫酸中有良好的耐蚀性,但当硫酸中有氧或氧化剂时容易发生腐蚀;②铜在氢氟酸介质中,在氢氟酸中有较好的耐蚀性能,腐蚀速率随温度升高和浓度增加而加大,但是浓度达到60%时,腐蚀速率反而减小。

铅及铅合金在典型无机酸中的耐蚀性:①在硫酸介质中,铅在硫酸中比较稳定,但在高温浓硫酸中耐蚀性明显降低;②在盐酸介质中,在低浓度盐酸中有良好的耐蚀性,铅纯度越高腐蚀速率越小。

钛和钛合金在典型无机酸中的耐蚀性:①在硫酸介质中,在室温下腐蚀速度比较慢,但在40%和80%浓度的时候耐蚀性降低,在发烟硫酸中比较稳定;②在硝酸介质中,在各种浓度的硝酸中直到177℃都有优良的耐蚀性;③在盐酸介质中,在室温下腐蚀速度比较慢,但随着浓度和温度的升高腐蚀速率加快;④在氢氟酸介质中,钛和钛合金在氢氟酸中有较好的耐蚀性能。

在很长的一段时间内,人们认为王水就是酸中之王,是最强的酸了,实则不然。氢氟酸︰五氟化锑的摩尔比为1︰0.3的混合物,酸性强度要比无水硫酸(100%)的强度约大1亿倍,是已知最强的超强酸,就是魔酸,也叫氟锑磺酸,为五氟化锑和氟磺酸按体积比1︰1混合制成的混酸。

酸性较强的酸有:①布朗斯特超酸,如HF、HClO4、HSO3Cl、HSO3F、HSO3CF3等,室温下为液体,本身为酸性极强的溶剂;②路易斯超酸,如SbF5、AsF5、TaF5和NbF5等,其中SbF5是目前已知最强的路易斯酸,可用于制备魔酸等共轭超酸;③共轭布朗斯特/路易斯超酸,如H2SO4·SO3(H2S2O7);H2SO4·B(OH)3;HSO3F·SbF5;HSO3F等;④固体超酸,硫酸处理的氧化物TiO2·H2SO4;ZrO2·H2SO4;路易斯酸处理的TiO2·SiO2等。

超强酸能溶解一些普通强酸不能溶解的东西,腐蚀性很强,但并不表示超强酸的氧化性就很强,有许多超强酸和金属反应活性很差,还不如盐酸。再如氢氟酸,尽管酸性弱,几乎没有氧化性,但腐蚀性却很强,能腐蚀诸多有机物和无机物。

以上
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5.12 耐溶剂性

有机溶剂小分子的腐蚀机理多为小分子渗透、扩散至高分子材料中。有机溶剂在界面层有显著的“溶涨”作用(也称“溶胀”),进而溶解大分子的交联产物,膨润处的固化物表面硬度会显著降低。不同的有机溶剂的渗透扩散的效果不一样,另外与树脂固化物的相容性也不一样,相容性越好的溶剂越易腐蚀固化产物。一般分子量越小,渗透扩散性越强,如100%全浓度的甲醇、乙醇,即使使用酚醛型乙烯基酯树脂也只能耐到40℃。

乙烯基酯树脂耐小分子有机溶剂,除考虑正常的耐腐蚀性能之外,还需要考虑小分子溶剂的溶胀,方向主要有几个:①极性相容原理;②溶解度参数原理;③乙烯基酯树脂固化产物自身的致密性。

溶胀和溶解的发生,都是小分子通过扩散渗入到高分子聚合物内,这就形成了溶胀,当在界面形成均相时,就发展到溶解了。一般结晶态热塑性材料可能出现溶胀,乃至发展到溶解,而交联类的聚合物,受到交联化学键的束缚,一般只能溶胀,不会发展到溶解。

热固性树脂在交联固化之前,仅能称之为低聚物,只有在交联固化之后,才能称之为高聚物。交联的方式不同、交联密度的不同都会影响到最终高聚物的分子排列和分子间的松散程度。

非结晶性高聚物,常见热固性树脂交联固化后形成的交联高聚物,其分子呈无规排列,堆砌较松散,溶剂小分子容易渗入聚合物内的空穴中,使高分子链段与链段之间的距离增大,相互作用力减弱,高分子逐渐扩散到溶剂中去,因此,非结晶性高聚物比较容易溶胀,乃至溶解。

结晶性聚合物,常见热塑性高分子材料,其分子排列规整,堆砌紧密,溶剂小分子较难渗入聚合物内部,因此结晶性聚合物较难溶解,具体过程与高聚物及相应小分子溶剂的极性有关。在室温下,非极性的晶态聚合物一般不会发生溶胀和溶解,只有升高温度至热塑性高分子材料的熔点附近,使结晶态结构发生了破坏,热塑性高分子材料才会发生溶胀和溶解。如线性低密度PE材料,它是典型的非极性热塑性高聚物,表面能很低,熔点135℃,在室温下一般不会发生溶胀和溶解,但到了135℃,它就会在同样非极性的十氢萘中很好地溶解。而极性结晶性高聚物,如果能与极性溶剂发生强烈的作用(如形成氢键),则在室温下也会溶解在极性溶剂中。如聚酰胺材料,即常说的尼龙,是典型的极性热塑性高聚物,在室温下也能溶解于甲酸、间甲苯酚、冰醋酸和浓硫酸等极性溶剂中。如聚对苯二甲酸乙二醇酯,即常说的PET聚酯,能溶解于邻氯苯酚和苯酚四氯乙烷的混合溶剂中(重量比为3︰2或1︰1);聚甲醛能溶解在六氟异丙醇和六氟丙酮水合物等含氟溶剂中。这些都是由于极性高聚物与极性溶剂之间形成了氢键,使这些极性的结晶性高聚物在室温下就能溶解在合适的溶剂中。

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更新于2022年11月24日 PM23:45
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5.12.1 极性考虑角度

    “相似相容”是极性大的溶质溶于极性大的溶剂,极性小的溶质溶于极性小的溶剂,溶质和溶剂的极性越相近,二者越易溶。例如:未硫化的天然橡胶是非极性的,可溶于汽油、苯、甲苯等非极性溶剂中;聚乙烯醇是极性的,可溶于水和乙醇中。

    “相似相容”原则,尤其是对于分子量大小相当的两种物质尤为适合。如何去判断乙烯基酯树脂和耐受溶剂的极性大小和差别呢?一个非常简单定性的办法就是比较极性参数。看化学介质的极性参数是否和苯乙烯相近,相近则乙烯基酯树脂固化物难以耐受,一般来说极性参数在2.5~6.0之间的溶剂,乙烯基酯树脂长期耐受都有一定困难。表5.12.1列出了一些常见的溶剂的极性参数表,数值越大,极性越大。更多溶剂的极性参数值以及相似相容的探讨,感兴趣的读者可以访问www.51fangfu.com树脂重防腐版块和笔者一起探讨。

5.12.1 一些溶剂的极性参数
溶剂
极性参数
溶剂
极性参数
溶剂
极性参数
异戊烷
0.00
丙醚
2.40
氯仿
4.40
正戊烷
0.00
甲苯
2.40
乙酸乙酯
4.40
石油醚
0.01
对二甲苯
2.50
甲基乙基酮
4.50
己烷
0.06
氯苯
2.70
4.80
环己烷
0.10
邻二氯苯
2.70
二氧六环
4.80
异辛烷
0.10
二乙醚
2.90
二氧杂环己烷
4.80
三氟乙酸
0.10
3.00
5.10
三甲基戊烷
0.10
异丁醇
3.00
吡啶
5.30
环戊烷
0.20
二氯甲烷
3.40
丙酮
5.40
庚烷
0.20
二氯化乙烯
3.50
乙腈
5.80
丁基氯
1.00
丁醇
3.90
硝基甲烷
6.00
丁酰氯
1.00
醋酸丁酯
4.00
乙酸
6.20
三氯乙烯
1.00
丙醇
4.00
苯胺
6.30
乙炔化三氯
1.00
甲基异丁基甲酮
4.20
二甲基甲酰胺
6.40
四氯化碳
1.60
四氢呋喃
4.20
乙二醇
6.90
三氯三氟代乙烷
1.90
乙酯
4.30
二甲基亚砜
7.20
丙基醚
2.40
异丙醇
4.30
10.20

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2022年11月25日 PM20:00
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5.12.2 溶解度参数考虑角度

“溶解度参数相近相溶”原则指的是溶解度参数δ越接近,溶解过程越容易。分两部分:①交联型热固性树脂,固化后属于热固性非极性的非晶态高聚物,它遇到非极性溶剂时,该交联物与溶剂的溶解度参数δ相近,易溶胀或溶解;②线性热塑性树脂,如PP、PE等,属于热塑性非极性结晶态高聚物,它遇到非极性溶剂时,则必须接近该热塑性高聚物熔点温度Tm时,才能使用“溶解度参数相近相溶”的原则;③当聚合物与溶剂之间有氢键形成时,用“溶解度参数相近相溶”预测结果很不准确,这是因为氢键对溶解度影响很大,此时需要三维溶度参数的概念。

有机溶剂浸泡乙烯基酯树脂制品之后,试样体积和质量都会增大,最终形成溶胀。通过考察试样浸泡前后的体积变化率和质量变化率,可以基本知道试样发生溶胀的程度。

经试验论证,乙烯基酯树脂在溶解度参数大于21J1/2/cm3/2的正丁醇(乙醇除外)以及溶解度参数小于19J1/2/cm3/2的正庚烷、环己烷、四氯化碳、乙苯、二甲苯、苯中的溶胀程度非常小;但在溶解度参数介于19J1/2/cm3/2~21J1/2/cm3/2之间的丁酮、四氢呋喃、二氯乙烷、四氯乙烷、环己酮、丙酮等溶剂中溶胀程度较大。经过计算,乙烯基酯树脂浇铸体的溶解度参数约为19.5J1/2/cm3/2~20J1/2/cm3/2。乙烯基酯树脂在有机溶剂中的稳定性,理论上可以对比树脂和溶剂的溶解度参数来作出判断,溶剂的溶解度参数越接近19.5J1/2/cm3/2~20J1/2/cm3/2,越容易对乙烯基酯树脂固化物溶胀。

在实际应用中,根据具有相同(或相近)溶解度参数,但不同分子结构的乙烯基酯树脂在某一溶剂中达到溶胀平衡时的体积增量和所需时间的不同,可以表示为不同的耐蚀等级。如高交联密度型酚醛型乙烯基酯树脂由于达到平衡时的增量尚不足3%,可以作为耐腐蚀树脂应用;而具有相同溶解度参数但交联密度稀疏的树脂,由于达到平衡时的增量已经超过3%,则只能被评为“尚耐”级别或“不耐”级别的树脂应用。另外,判断高分子材料在溶剂中能否溶解(或溶胀)的公式为一热力学公式,热力学公式只表明聚合物被溶解或溶胀的可能性,但并不提供达到溶解或溶胀平衡所需的时间,一些溶剂尽管按热力学公式可以使乙烯基酯树脂发生溶胀,但是由于分子体积较大或黏度较大等因素,在给定温度条件下需很长时间(有的需要数年)才能达到引起材料破坏的溶胀量,在这种情况下,对这类溶剂,乙烯基酯树脂仍可作为耐腐蚀级别树脂使用。

溶解度参数可以表征分子间的相互作用,广泛用于橡胶工业选用添加剂、塑料工业选用增塑剂、涂料工业选用溶剂、纺织工业选择熔液纺丝的溶剂、大孔隙共聚珠体的制造,对石油化工、医药、胶黏剂等工业中的溶剂选择,它是一个具有较好预测性的依据。

溶解度参数是通过测定内聚能密度来表征物质溶解性的一个物理量,单位为J1/2/cm3/2,由分子量、相对密度、沸点,可以计算得出某种物质的溶解度参数。常见的小分子物质的溶解度参数可以参见表5.12.2-1,限于篇幅,不能列出更多物质的溶解度参数数据,感兴趣的读者可以访问www.51fangfu.com树脂重防腐版块和笔者一起探讨分享。

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5.12.2-1 小分子物质的溶解度参数(25℃
溶剂
CAS
溶解度参数/(J1/2·cm-3/2)
氢键类型
溶剂
CAS
溶解度参数/(J1/2·cm-3/2)
氢键类型
烷烃及烯烃
正丁烷
106-97-8
13.9
p
甲烷
74-82-8
9.6
p
异丁烷
75-28-5
12.8
p
丙烷
74-98-6
13.1
p
正戊烷
109-66-0
14.3
p
环氧丙烷
75-56-9
18.8
m
异戊烷
78-78-4
13.7
p
四氯化碳
56-23-5
17.6
p
乙烯
74-85-1
11.3
p
丙烯
115-07-1
12.5
p
芳烃
71-43-2
18.8
p
四氢萘
119-64-2
19.4
p
甲苯
108-88-3
18.2
p
对二甲苯
106-42-3
17.9
p
91-20-3
20.0
p
间二甲苯
108-38-3
18.0
p
苯乙烯
100-42-5
19.0
p
二甲苯
1330-20-7
18.0
p
邻二甲苯
95-47-6
18.4
p
乙苯
100-41-4
18.0
p
卤代烃
一氯甲烷
74-87-3
19.8
m
1,2-二氯丙烷
78-87-5
18.4
p
二氯甲烷
75-09-2
19.8
m
四氯化碳
56-23-5
17.6
p
氯溴甲烷
74-97-5
18.6
p
四氟化碳
75-73-0
13.83
p
氯仿
67-66-3
19.0
p
四氯乙烯
127-18-4
19.0
p
三氯乙烯
79-01-6
19.5
p
一氯化苯,氯苯
108-90-7
19.9
p
氯乙烯
75-01-4
16.0
m
四氯化硅
10026-04-7
15.1
p

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2022年11月29日 AM8:00
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环氧氯丙烷
106-89-8
22.5
s
氯甲醚
107-30-2
21.7
s
四氢呋喃
109-99-9
19.4
m
丁醚
142-96-1
16.0
m
二甲醚
115-10-6
18.4
m
甲醚
115-10-6
18.0
m
乙醚
60-29-7
15.1
m
甲乙醚
540-67-0
17.00
m
丙酮
67-64-1
20.5
m
甲基乙基酮
78-93-3
19.3
m
环己酮
108-94-1
20.7
m
二异丙基酮
565-80-0
16.4
m
乙醛
75-07-0
20.3
m
正丁醛
123-72-8
18.4
m
醋酸甲酯
79-20-9
19.6
m
甲酸乙酯
109-94-4
19.2
m
乙酸乙酯
141-78-6
18.6
m
甲酸戊酯
638-49-3
17.2
m
磷酸三甲酯
512-56-1
25.4
m
丙烯酸丁酯
141-32-2
18.0
m
醋酸丁酯
123-86-4
17.4
m
甲酸叔丁基酯
762-75-4
16.8
m
丁酸丁酯
109-21-7
16.6
m
邻苯二甲酸二辛酯
117-84-0
16.2
m
邻苯二甲酸二甲酯
131-11-3
21.9
m
丙烯酸甲酯
96-33-3
18.2
m
邻苯二甲酸二乙酯
84-66-2
20.5
m
甲基丙烯酸乙酯
97-63-2
17.0
m
邻苯二甲酸二丁酯
84-74-2
20.3
m
甲酸甲酯
107-31-3
20.9
m
邻苯二甲酸丁苄酯
85-68-7
22.3
m
甲基丙烯酸甲酯
80-62-6
18.0
m
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甲醇
67-56-1
29.7
s
正丁醇
71-36-3
23.3
s
乙醇
64-17-5
26.6
s
异丁醇
78-83-1
22.7
s
乙二醇
107-21-1
32.9
s
丙二醇
57-55-6
30.3
s
丙三醇,甘油
56-81-5
36.2
s
丁二醇
107-88-0
28.8
s
7732-18-5
47.9
s
-
-
-
-
甲酸
64-18-6
25.0
s
乙酸
64-19-7
21.3
s
丙烯酸
79-10-7
24.6
s
溴化氢
51-56-9
20.8
s
甲基丙烯酸
79-41-4
22.9
s
硫化氢
7783-06-4
18.0
s
氢氰酸
74-90-8
24.8
s
氯化氢
7647-01-0
21.9
s
苯酚
108-95-2
24.1
s
间苯二酚
108-46-3
28.8
s
含氮有机溶剂
乙腈
75-05-8
24.3
p
硝基苯
98-95-3
22.1
p
丙烯腈
107-13-1
24.8
p
乙二胺
107-15-3
25.2
s
吡啶
110-86-1
21.9
s
N,N’-二甲基甲酰胺
68-12-2
24.8
m
二乙胺
109-89-7
16.4
s
N,N’-二甲基乙酰胺
127-19-5
22.1
m
哌嗪
18940-57-3
28.0
m
二甲胺
124-40-3
19.0
s
N,N’-二乙基乙酰胺
685-91-6
20.3
m
三乙胺
121-44-8
15.1
s
N,N’-二乙基甲酰胺
617-84-5
21.7
m
302-01-2
37.3
s
N,N’-二甲基苯胺
121-69-7
19.8
m
哌啶
110-89-4
17.8
p
含硫有机溶剂
二硫化碳
75-15-0
20.5
p
二甲基亚砜
67-68-5
29.7
m
二氧化硫
7446-09-5
12.3
m
噻吩
110-02-1
20.1
m
含卤酸或酸酐
乙酰氯
75-36-5
19.4
m
二氯乙酸
79-43-6
22.5
s
醋酸酐,冰醋酸
108-24-7
22.3
s
顺丁烯二酸酐
108-31-6
27.8
s

注:m中等氢键;p弱氢键;s强氢键。
注:m为中等氢键;p为弱氢键;s为强氢键。
以上
欧阳13918593706,13386252202
2022年12月1日 AM8:30
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只看该作者 145楼 发表于: 2022-12-01

高分子材料与小分子溶剂之间溶解度参数相近,一般不超过2.0J1/2/cm3/2,则其相溶较易;若溶解度参数相差大,就不易相溶,此规律只适用于非极性溶剂、非晶态线性高分子,并不适合具有氢键的物质。

化合物中的氢原子同时和两个负电性较大而又原子半径较小的原子(F、O、N)相结合,叫做氢键,氢键的强弱顺序为:F—H···F>O—H···O>O—H···N>N—H···N。氢键分为分子内氢键和分子间氢键。如聚氯乙烯能溶于环己酮中、聚碳酸酯能溶于氯仿中,都是因为分子内氢键的作用,若将氯仿与环己酮互换,虽然其溶解度参数仍相近,可就是不能溶解,这是因为氯仿与氯乙烯均为质子供给体,环己酮与碳酸酯同为质子接受体,不利于氢键的形成,所以不能互相溶解。因此在按照溶解度参数预测物质的互溶性的同时,必须结合考虑可否形成氢键,对于不能形成氢键的则要另作考虑。对于氢键,还没有什么定量的表达方式,但有人按氢键的强弱把溶解度参数分成三种:

①弱氢键溶解度参数(δp),质子供给体氢键中心点0.3,如烃、卤代烃、硝基烃、氰基烃、氰基取代物、聚氯乙烯等;

②中氢键溶解度参数(δm),质子接受体氢键中心点0.1,如酯、酮、醚、醛、聚醋酸乙烯等;

③强氢键溶解度参数(δs),质子供给体/质子接受体氢键中心点1.7,如醇、胺、酰胺、酸、醋酸纤维等。

质子供给体化合物和质子接受体化合物相混合,则溶解性最佳。如丙酮与氯仿混合,其自由能为负值,相容性非常好。

例如:60%二甲苯和40%甲乙酮混合后溶解度参数=二甲苯溶解度参数×60%+甲乙酮溶解度参数×40%=18.0×60%+19.0×40%=18.4。

众所周知,结构相似的物质易互溶,非极性链节构成的聚合物,可以溶于非极性溶剂中,如天然橡胶和丁苯橡胶可溶于苯、甲苯、石油醚、己烷和卤代衍生物中。生产顺丁橡胶以苯和甲苯做溶剂;在聚合物链节中含有极性基团时,就只能溶于与它极性相似的溶剂中,例如聚乙烯醇不溶于苯而可溶于水中。

有些非溶剂,不但不使聚合物溶液产生聚合物沉淀,还可以改善溶解,称此非溶剂为惰性溶剂,在某些情况下,两种非溶剂掺混在一起,却成为某一种聚合物的良溶剂。例如,乙醚-酒精混合物是硝酸纤维素的良溶剂。与此相反的现象是醋酸纤维素可溶于胺,也溶于醋酸,但却不溶于胺-醋酸的混合溶剂。

低分子量的化合物,如蔗糖,具有定量的溶解度极限,超过上限,就会析出,在上限以内,可以形成任何比例的互溶溶液。

高分子量的聚合物,无论是热塑还是热固性高聚物,分子链段的运动都受到限制,只能溶胀,不能完全溶解成流动性的溶液,当结晶度一再增大,则既不溶解,也不溶胀。

从分子运动的热力学角度看,溶解过程自发进行的前提是溶解发生的混合熵变(ΔS)总是增大,吉布斯自由能(ΔG)小于零,也就是要求溶剂与溶质的溶解度参数尽可能接近,对聚合物的溶解,一般要求|δ溶质-δ溶剂|<2。因此说,溶解度参数可以作为判断溶剂对聚合物可否溶解的依据。

以上
欧阳13918593706,13386252202
2022年12月1日 PM22:30
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只看该作者 146楼 发表于: 2022-12-03

对于有氢键作用的液体计算溶解度参数,需要补加校正值。

聚合物表面张力越大,极性越大,形成氢键的能力越强。

对于非极性高分子材料而言,其溶解度参数与某溶剂的溶解度参数的差值在±2以内,则可以互溶或溶胀,差值范围大于±2,则不会溶胀或互溶。表5.12.2-2列出了几种常见的聚合物的溶解度参数。限于篇幅,不能列出更多聚合物的溶解度参数数据,感兴趣的读者可和笔者一起探讨分享。

5.12.2-2 各种聚合物的溶解度参数
聚合物名称
溶解度参数/(J1/2·cm-3/2)
聚合物名称
溶解度参数/(J1/2·cm-3/2)
聚丁二烯
14.65~17.19
聚氯乙烯
19.19~22.1
氯丁橡胶
16.59~18.8
聚苯乙烯
17.45~21.1
聚乙烯
15.76~18.4
聚醋酸乙烯酯
18.21
聚丙烯(等规)
17.19
聚丙烯酸甲酯
18.21
聚丙烯(氯化)
21.89
聚丙烯酸乙酯
18.27
聚偏氯乙烯
25.0
聚甲基丙烯酸甲酯
18.27
聚丙烯酸丁酯
17.4~19.77
聚甲基丙烯酸乙酯
17.25
聚丙烯酸乙酯
19.13~20.4
20~26
聚丙烯酸甲酯
20.1~21.3
尼龙66
22.87
聚乙烯醇
21.7~25.78
乙基纤维素
21.1
聚烯丙基甲基醚
19.44
天然橡胶
16.6
聚丙烯腈
25.27~31.5
丁基橡胶
17.2
聚四氟乙烯
12.7
氯丁橡胶
18.8
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欧阳13918593706,13386252202
2022年12月5日 AM8:30
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只看该作者 147楼 发表于: 2022-12-06

5.12.3 交联密度、致密性考虑角度

尽可能提高乙烯基酯树脂的交联密度,增加其致密性,是从树脂本身上能做的最大限度的工作:①提高双键交联密度;②提高树脂主链的苯环以及杂环含量;③提高交联单体的交联密度;④后固化处理以提高树脂固化度;⑤和其他树脂形成互穿网络结构;⑥和其他树脂形成共聚物。

有关乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂的双键交联密度的理论计算请参见本书“9.8.1.4 双键交联密度”介绍。

对于小分子在复合材料界面的渗透,深入了解的人并不多,这属于跨学科领域基础理论知识,大家有兴趣可以阅读胡福增教授主编《材料表面与界面》一书,对理解小分子溶剂的腐蚀机理会很有帮助。

以上
欧阳13918593706,13386252202
2022年12月6日 AM9:0
于 江苏 江阴 Plant

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只看该作者 148楼 发表于: 2022-12-07

5.13 耐候性

太阳光按波长范围可以分为紫外光(<380nm)、可见光(380nm~780nm)、近红外线(780nm~1200nm)、红外线(>1200nm)。

乙烯基酯树脂玻璃钢及涂料胶泥应用于室外需经受气候的考验,如光照、冷热、风雨、细菌等会导致出现褪色、变色、龟裂、粉化和强度下降等一系列老化的现象,其中紫外光照射是促使其老化的关键因素。这种耐受紫外光老化的能力叫乙烯基酯树脂的耐候性。耐候性的测定方法,主要有模拟自然气候的耐候试验箱(或老化箱,加速耐候仪)老化试验、模拟天然的气候条件试验(即大气曝晒试验)。

从紫外光作用原理而言,只要含有苯环类的有机高分子材料,其耐候性都不会太好。添加抗氧剂、光稳定剂等紫外光吸收剂也仅仅是治标不治本的方法。

乙烯基酯树脂固化物的耐户外太阳光曝晒变质的几点因素如下:①树脂中苯环相对含量,包括酯键部分和稀释单体;②树脂固化程度;③紫外光吸收剂添加;④照射光线波长,华东地区和西南地区的日照光线中紫外光波长域不尽相同;⑤曝晒户外的状态,是否有散热装置;⑥曝晒时接触树脂固化物的气相氛的真空度,表面是否有氧气存在,气相氛中是否有腐蚀性不纯物,如SOx、NOx等;⑦乙烯基酯树脂固化物表面是否有其他耐候性保护措施,如耐候性涂料等。

根据以上因素可以预见:采用非苯环类环氧树脂,如脂肪族或脂环族环氧树脂得到的乙烯基酯树脂的苯环含量更少,耐候性更好;采用非苯环类稀释单体,如甲基丙烯酸甲酯或其他酯类聚合性单体,得到的乙烯基酯树脂的耐候性会更好;树脂固化程度越高耐候性越好;紫外光添加剂的添加会明显改善乙烯基酯树脂固化物的耐候性;照射光波长越偏向紫外光波长范围,如西南地区的太阳光较之华东地区太阳光紫外光含量更高,对树脂的老化越严重;户外曝晒时,水淋等散热装置可以有效地降低固化物表面的温度,延缓其老化的速度;树脂固化经受紫外光的老化过程也是一个分子链裂解的过程,氧在这个过程中起到非常明显的加速作用,固化物表面真空度会大大延缓其经受紫外光的老化速度;固化物表面气相氛中含有腐蚀性不纯物,如SOx、NOx等,此时不仅是需要考虑耐候性,还需要考虑耐腐蚀性,腐蚀性气相不纯物也会大大加速乙烯基酯树脂固化物老化的速度;乙烯基酯树脂固化物表面涂有耐候性涂料,或者采取其他的遮盖、抵挡紫外光的措施,会大大延缓固化物经受紫外光的老化速度。

现实中,改善乙烯基酯树脂的耐候性采用最多的四个措施是:①采取MMA类的不含苯环的稀释单体部分取代苯乙烯;②添加紫外光吸收剂,在树脂中或表面涂层中可以加入0.2%~0.5%的UV吸收剂(UV-9使用居多,吸收波长为280nm~340nm);③乙烯基酯树脂固化物外表面添加耐候性色浆,做成有色反光的镜面;④乙烯基酯树脂固化物外表面再次涂装耐候性涂料,如PVC含氟萤丹涂料、氟树脂涂料、丙烯酸耐候涂料、聚酰胺或聚氨酯耐候涂料、聚酯耐候涂料等。由于采用耐候性涂料增加了二次成本;改变树脂本身,也会大大增加成本;因而导致在国内目前改善乙烯基酯树脂固化物耐候性的措施还基本上停留在②和③。

紫外光吸收剂是一种光稳定剂,能吸收阳光及荧光光源中的紫外光部分,而本身又不发生变化,保护塑料免受由紫外光照射导致的光氧化降解,因而使产品使用寿命大为延长。塑料和其他高分子材料在日光和荧光下,因紫外光的作用,产生自动氧化反应,导致聚合物的降解而劣化,使外观及机械性能变坏,加入紫外光吸收剂后可选择性地吸收这种高能量的紫外光,使之变成无害的能量而释放或消耗。聚合物的种类不同,使其劣化的紫外光波长也不相同,不同的紫外光吸收剂可吸收不同波长的紫外光,使用时,应根据聚合物的种类选择紫外光吸收剂。紫外光吸收剂应该具备以下条件:①可强烈地吸收紫外光(尤其是波长290nm~400nm范围);②热稳定性好,即使在加工中也不会因热而变化,热挥发性小;③化学稳定性好,不与制品中材料组分发生不利反应;④混溶性好,可均匀地分散在材料中,不喷霜,不渗出;⑤吸收剂本身的光化学稳定性好,不分解,不变色;⑥无色、无毒、无臭;⑦耐浸洗;⑧价廉、易得;⑨不溶,或难溶于水。

常见的紫外光吸收剂按化学结构可分为以下几类:水杨酯苯酯(如邻羟基苯甲酸苯酯)、苯酮类[如UV-O(2,4-二羟基二苯甲酮)、UV-9(2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮)、UV-531(2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮)]、苯并三唑类{如UVP-327 [2-(2’-羟基-3’,5’-二叔苯基)-5-氯化苯并三唑]}、取代丙烯腈类、三嗪类和其他类。如UV-P(邻硝基苯胺、对甲苯酚的反应产物)、RMB (单苯甲酸间苯二酚酯)、光稳定剂AM-101[2,2’-硫代双(4-叔辛基酚氧基)镍]、光稳定剂GW-540[三(1,2,2,6,6-五甲哌啶基)亚磷酸酯]、光稳定剂744(4-苯甲酰氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)、光稳定剂HPT(六甲基磷酰三胺)等也可作为改善乙烯基酯树脂的耐候性能的添加剂。

最常用的紫外光吸收剂UV-9,英文为Oxybenzone,中文名:2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮,又名防晒剂2号、BP-3,ACS号131-57-7,浅黄色或白色结晶粉末,淡黄色结晶粉末,密度1.324g/cm3(25℃),易溶于乙醇、丙酮等有机溶剂,不溶于水,适用于聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、不饱和聚酯、ABS树脂和纤维素树脂等多种塑料,最大吸收波长范围为280~340nm。一般用量为0.1%~1.5%(乙烯基酯树脂外涂层中一般添加0.2%~0.5%,日本、意大利规定本品用于接触食品的制品时,最大用量不得超过0.3%),热稳定性好,在200℃时不分解。UV-9几乎不吸收可见光,故适用于浅色透明制品。UV-9与不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂具有良好的相容性。

值得引起大家注意的是,复合材料除了耐紫外线老化之外,还经常需要考虑耐热老化黄变的问题。纤维增强热固性塑料的耐热黄变老化的机理,也是业内讨论的热点。目前,大多数提高纤维增强热固性塑料耐热黄变老化的途径还是想办法去提升制品的玻璃化转变温度。

以上
欧阳13918593706,13386252202
2022年12月7日 PM16:20
于 江苏 江阴 Plant

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5.14 阻燃性

5.14.1 乙烯基酯树脂的阻燃改性

    改善乙烯基酯树脂固化物的阻燃效果,可以从如下方向入手。

(1)化学方法

化学方法指的是改变乙烯基酯树脂的分子链结构,在乙烯基酯部分引入卤素(以氯、溴为主)、磷、硅等起阻燃效果的元素,或者直接在酯部分引入具有阻燃效果的特殊构造,如双环戊二烯。

化学方法目前采用最多还是引入卤素的方法,市场上具代表性的阻燃型乙烯基酯树脂都是溴化改性系列,如Derakane® 510系列、OYCHEM® 8005系列等都是此类。引入溴元素的方法是采用溴化环氧原料、四溴双酚A原料、四溴苯酐原料等。

(2)物理方法

物理方法指的是不改变乙烯基酯部分分子式结构,靠物理添加一些具有阻燃功能的助剂或填料来达到阻燃的效果。这些助剂主要有磷酸酯、氢氧化铝、三氧化二锑、氧化锌、氧化硼等阻燃添加剂。不同的阻燃添加剂之间具有协同效应。不同的无机添加型阻燃剂的阻燃效果不同,添加量也不尽相同,一般氢氧化铝需要添加到40%才会有较理想的阻燃效果;三氧化二锑只需添加5%左右,在其他阻燃剂(如磷系阻燃剂)的协同效应下,就能发挥良好的阻燃效果。

以上
欧阳13918593706,13386252202
2022年12月8日 AM8:00
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