FRP襯里是主要用液狀樹脂和增強(qiáng)纖維等粘結(jié)被襯里體形成耐蝕FRP,因?yàn)橛玫氖菬峁绦詷渲?,因此無論在常溫,或任何情況加熱固化都是可能的,加熱之后,交聯(lián)密度增大,耐蝕性也提高。實(shí)際使用上耐熱性可達(dá)120℃,最高150℃。酚醛,呋喃,環(huán)氧、UP、VE等樹脂都可以采用。FRP襯里有著以下特點(diǎn):
1)機(jī)械強(qiáng)度有被襯里體承擔(dān)(強(qiáng)度設(shè)計(jì)容易)。
2)被襯里體能夠選擇價格便宜的材料(當(dāng)被襯里體對耐蝕性沒有要求時)。
3)結(jié)構(gòu)、組成,厚度的可設(shè)計(jì)性(能夠?qū)?yīng)的適材、適所)。
4)現(xiàn)場能夠常溫固化,在現(xiàn)場無論何時都能施工。
5)施工時沒有必要昂貴的設(shè)備。
6)修補(bǔ)容易。
但在另一方面與整體FRP單獨(dú)使用時不同,F(xiàn)RP襯里是包覆于被襯里體(金屬、混凝土等)的界面基底之上,由于與基底的粘結(jié)性差異,向環(huán)境劑界面的滲透擴(kuò)散,起泡,剝離,膨脹系數(shù)差等,有熱應(yīng)力發(fā)生。隨著熱應(yīng)力的產(chǎn)生,裂紋就成為防腐蝕的重要問題。為了與此相對應(yīng),襯里用基材的多樣性選擇(粘結(jié)性,耐藥性)隨之產(chǎn)生,我們對其中VE作為耐蝕性、粘結(jié)性、韌性,常溫固化性方面優(yōu)良的材料進(jìn)行了評價。
設(shè)計(jì)上的注意點(diǎn)
在我們現(xiàn)行的防腐蝕設(shè)計(jì)、施工等規(guī)范中, 對耐蝕材料的基本性能要求,有了比較詳盡的規(guī)定。但單靠這些數(shù)據(jù)要完成工況條件比較復(fù)雜的防腐蝕襯里設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,設(shè)計(jì)人員可能要作更深的考慮,才能達(dá)到完美的防腐蝕襯里設(shè)計(jì)效果,下面描述的內(nèi)容或許對你設(shè)計(jì)時的綜合考慮帶來有益。
1.粘結(jié)特性
對于FRP襯里,防腐蝕襯里和被粘結(jié)體的粘結(jié)強(qiáng)度是控制襯里耐久性的重要因素之一。一般來說,耐蝕性優(yōu)良的襯里與被粘結(jié)體之間的粘結(jié)是不好的。被粘結(jié)體(金屬或混凝土)由于表面狀態(tài)不同,即使同樣進(jìn)行VE-FRP襯里工作時,也應(yīng)分別使用底涂層來進(jìn)行表面處理,以提高粘結(jié)性。我們把此操作稱為Primer(底涂)。Primer控制著襯里的是否成功,多數(shù)已成為生產(chǎn)廠家的技術(shù)秘密(know how)。
VE的粘結(jié)性優(yōu)良,而與之配套的專用底涂層(如Fuchem-810)的使用,則更能夠提高粘結(jié)性能。
2.FRP襯里的熱膨脹系數(shù)和熱應(yīng)力
從滲透擴(kuò)散理論而言,襯里層越厚越好,致密而強(qiáng)度高。但作為固化后的襯里材料來考慮就未必如此,因?yàn)镕RP的膨脹系數(shù)是金屬、混凝土的2-3倍!
當(dāng)環(huán)境和操作溫度發(fā)生變化,則在FRP襯里和基底(金屬、混凝土等)的界面會產(chǎn)生應(yīng)力,如果此應(yīng)力超過了兩者之間的粘結(jié)力,就會發(fā)生FRP襯里的剝離、起泡等現(xiàn)象。
化學(xué)設(shè)備的金屬表面上形成的FRP襯里,從運(yùn)行開始到運(yùn)行終止的這段時間,溫度將會發(fā)生變化。由于溫度變化,沿著FRP襯里面發(fā)生的熱應(yīng)力δH(kgf/cm2)可以下式來表示:
δH=ΔT·(αR -αSS)E/(1-υ2)
=ΔT·Δα·E
這里,
E:拉伸彈性模量;
ΔT:溫度差(隨溫度變化);
Δα=αR-αSS :FRP和低碳鋼之間的膨脹系數(shù)差;
υ:泊松( pission)比。
現(xiàn)在我們可來估算一下,在70℃運(yùn)行的FRP襯里儲槽,運(yùn)行終止、溫度下降到20℃,F(xiàn)RP襯里產(chǎn)生的應(yīng)力:
假設(shè):
拉伸彈性模量1000kgf/mm2,
線膨脹系數(shù)αR=2.50×10-5/℃,
αSS=1.19×10-5/℃,
ΔT=50℃,
FRP和低碳鋼之間的粘結(jié)強(qiáng)度(剪切)為25.0 kgf/cm2
則δH=1.31×10-5×50×1000kgf/ mm2
=65.5kgf/cm2,
設(shè)FRP厚為3mm,
則襯里端面發(fā)生應(yīng)力為
65.5(kgf/cm2)×0.3
=19.6(kgf/cm2)。
粘結(jié)強(qiáng)度(剪切)比此高得多,因此不必?fù)?dān)心會剝離。如果FRP厚為4mm,則從理論上可判斷襯里層使用后將發(fā)生剝離、脫殼等現(xiàn)象。
FRP襯里和混凝土基面之間的情況也可仿照上述公式來進(jìn)行估算。
3.化學(xué)介質(zhì)的滲透和擴(kuò)散系數(shù)的推定
不僅限于FRP襯里,所有的有機(jī)襯里材料一接觸到液態(tài)化學(xué)介質(zhì)、水、氣體即會擴(kuò)散至材料內(nèi)部,在一定時間后透過一定深度。關(guān)于擴(kuò)散有Fick公式,作為理想的擴(kuò)散公式,多數(shù)時候可求得擴(kuò)散系數(shù)的大概值。擴(kuò)散系數(shù)表示襯里材料對介質(zhì)的吸收速度,是判斷防腐蝕襯里使用壽命的一個重要因素。
厚度?的襯里試樣與液體接觸t(小時)后的重量增加為Mt(mg或mg/cm2),到達(dá)平衡狀態(tài)時的重量增加為M∞,當(dāng)是理想擴(kuò)散時,則擴(kuò)散系數(shù)D(cm2/小時)的關(guān)系式如下:
圖4-2
圖4-2的吸水曲線Mt對 t1/2作圖,從初期的斜率能夠求得擴(kuò)散系數(shù)。圖4-3所示為多種VE和間苯系UP的擴(kuò)散系數(shù)D和溫度的關(guān)系。
一般情況下,襯里層厚度對擴(kuò)散系數(shù)沒有影響,如圖4-4;介質(zhì)溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響,基本符合阿論尼烏斯(Arrhenius)公式,如圖4-5;而介質(zhì)濃度的大小與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)系,如圖4-6和圖4-7。
因此擴(kuò)散系數(shù)愈小,襯里層愈厚,化學(xué)介質(zhì)的擴(kuò)散受到妨礙,襯里層的防腐蝕性能可以想象能長期得到保持。
4.水蒸汽擴(kuò)散和粘結(jié)力
不僅限于FRP襯里,有機(jī)襯里一面顯露在高溫下,而金屬面卻處于較底溫度下,則熱擴(kuò)散現(xiàn)象有利于濃度擴(kuò)散,促進(jìn)液體向襯里的滲透,水或水蒸氣最易滲透,冷凝于金屬和襯里間的粘結(jié)面,妨礙了FRP的粘結(jié),而容易產(chǎn)生氣泡。
我們稱這種現(xiàn)象為溫度梯度下的滲透擴(kuò)散。水和蒸汽中,一般眾知的水蒸氣擴(kuò)散。圖10-1-19所示為粘結(jié)力和溫度梯度的關(guān)系。圖中的數(shù)字為金屬面的溫度和襯里面的溫度,溫度差愈大,短時間的粘結(jié)力就愈低。
Menges等推出下式:
L=?2/6D+τ(PB·δN)
這里 L:襯里的壽命;
?:襯里的厚度;
τ:襯里不剝離時間 ;
PB:起泡內(nèi)部的壓力 ;
δN:垂直拉伸剝離應(yīng)力
從此式顯示出,襯里的壽命由膜厚,擴(kuò)散系數(shù)和基底的粘結(jié)力決定。
對于FRP襯里,水蒸氣擴(kuò)散和粘結(jié)力控制了襯里的壽命,希望襯里厚度增加,同時使用擴(kuò)散系數(shù)小的材料,并且保溫,使溫度梯度變小,這樣就提高了粘結(jié)力。
5.內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和松弛
FRP襯里用耐腐蝕樹脂在固化時伴有放熱、蒸發(fā)、冷卻、聚合等過程,各種熱固性樹脂或多或少會引起收縮。這時,如果FRP襯里層與基層的粘結(jié)力小于樹脂固化產(chǎn)生的收縮應(yīng)力,那就會發(fā)生FRP襯里層的剝離;如果粘結(jié)力很大,就能阻止界面上的收縮。但產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可能要引起FRP襯里表面龜裂。
有學(xué)者對環(huán)氧樹脂進(jìn)行了線膨脹系數(shù)αr、玻璃化溫度Tg和動態(tài)粘彈性(儲藏彈性率)E的測定,內(nèi)應(yīng)力可以用下列的計(jì)算式進(jìn)行估算
由于線膨脹系數(shù)是在鋁板上進(jìn)行測定的,因此α2為鋁板的線膨脹系數(shù)。
目前,高耐蝕、低收縮、粘結(jié)力好的防腐蝕材料一直是各材料生產(chǎn)廠家致力于重點(diǎn)開發(fā)的領(lǐng)域,而Fuchem-891是這類樹脂的典型代表。