玻璃鋼容器性能失效分析

　　玻璃鋼是樹脂/纖維復(fù)合材料，能耐酸、稀堿、鹽、大部分有機物、海水以及潮濕等腐蝕，對于微生物作用也有抵抗能力，因此玻璃鋼已經(jīng)在石油、化工、醫(yī)藥、染料、輕工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但玻璃鋼制品也有缺點，當(dāng)使用一段時間之后也會出現(xiàn)滲漏、開裂等現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況后則標(biāo)志著其使用期限已到，當(dāng)然這個期限一般比金屬材料制品要長的多。

　　現(xiàn)分析一下玻璃鋼容器腐蝕失效原理。

　　6.2.1 物理腐蝕

　　6.2.1.1 滲透和擴散

　　滲透是介質(zhì)在高分子材料中的增加過程，而擴散是介質(zhì)在材料中滲透范圍進一步擴大的過程。玻璃鋼容器在制造過程中，樹脂之間，樹脂與纖維之間不可避免的要形成微孔、小縫隙，而介質(zhì)就在這些縫隙中滲透、擴散，另外樹脂大分子間雖然依靠范德華力連在一起，但當(dāng)介質(zhì)分子有足夠的熱能，則可克服掉這個能量壁壘，使樹脂大分子鏈斷開，造成介質(zhì)在樹脂分子間的滲透與擴散。玻璃鋼材料的空隙率、環(huán)境的溫度、介質(zhì)的組成濃度、分子體積等是影響這兩種滲透和擴散過程的主要因素。

　　6.2.1.2 溶解和溶脹

　　樹脂的分子間相互作用較弱，且在成型過程中層間結(jié)構(gòu)較疏松，這就會使溶劑分子滲入這些縫隙內(nèi)部，而發(fā)生溶劑化作用，但由于樹脂的單個分子很大，分子鏈間又相互纏繞，因此被溶劑化的大分子仍不能擴散到溶液中去，只能引起材料在宏觀體積上的增大或重量的增加，造成了溶漲。玻璃鋼的溶脹與樹脂交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度越大則溶脹現(xiàn)象越小，反之則大。

　　6.2.2 化學(xué)腐蝕

　　樹脂結(jié)構(gòu)中含有一些活性的官能團，它們在特定的介質(zhì)中能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了樹脂結(jié)構(gòu)的改變，造成材料的老化或腐蝕。最常見的化學(xué)腐蝕反應(yīng)如酸、堿等介質(zhì)中的水解反應(yīng)，空氣中由于氧、臭氧作用而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，還有側(cè)基的取代反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)等都會使玻璃鋼容器內(nèi)壁或外表發(fā)生腐蝕。樹脂在介質(zhì)中的耐水解反應(yīng)能力主要與其水解基團在相應(yīng)的酸、堿介質(zhì)中的水解活化能有關(guān)，表6-2-1列出一些基團的水解活化能。

　　表6-2-1 一些基團的水解耐腐蝕反應(yīng)活化能

　　基團類型

　　酰胺鏈

　　酯鏈

　　酰亞胺鏈

　　酯鏈

　　硅氧鏈

　　(kJ/mol)

　　酸性介質(zhì)

　　-83.6

　　-75.2

　　-83.5

　　-100.3

　　50.2

　　堿性介質(zhì)

　　66.9

　　58.5

　　66.9

　　-

　　-

　　實踐證明樹脂的活化能越高其耐水解性越好。

　　玻璃鋼耐溶劑介質(zhì)能力關(guān)鍵也與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，樹脂中一些官能團在不同介質(zhì)中腐蝕性能見表6-2-2。

　　表6-2-2 官能團的耐腐蝕性能

　　介 質(zhì)

　　有利的基團

　　不利的基團

　　耐酸性

　　耐堿性

　　耐水性

　　耐氧化性

　　耐油性

　　6.2.3 應(yīng)力腐蝕

　　日常生活經(jīng)驗告訴我們，有裂縫的材料極易開裂，而且，裂縫端的銳度對裂縫的擴展有很大影響。裂紋尖端處裂縫最大張應(yīng)力σm可表示為

　　σo——均勻張應(yīng)力

　　a——裂縫長度之半

　　ρ——裂縫尖端的曲率半徑

　　以上公式表明應(yīng)力集中隨平均應(yīng)力的增大和裂縫尖端半徑減小而增大。這樣，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時，就會達到和超過分子、原子的最大內(nèi)聚力而使材料破壞。

　　實踐證明，現(xiàn)今的玻璃鋼容器纏繞工藝尚不能保證材料表面和結(jié)構(gòu)中不存在缺陷(如：表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微孔、裂縫、晶界、相界等)，產(chǎn)品在運輸安裝過程中不可避免的要被磕碰產(chǎn)生銀紋或裂紋，玻璃鋼這些缺陷會使應(yīng)力局部集中于其尖端而大大超過其受到的平均應(yīng)力，當(dāng)它達到或超過某一臨界條件時，裂縫最終失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴展，最終在低應(yīng)力下引起材料斷裂。造成玻璃鋼容器的滲漏，從而性能失效。

　　鑒于以上玻璃鋼容器性能種種失效原理，因此我們無論從材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計，制造、運輸與安裝都要嚴(yán)格加以控制，才能使這種材料能更好的發(fā)揮其防腐性能。