2024-09-0657
高分子化工材料指由具有重复单元结构的大分子聚合物组成的材料，其分子量常超过数千道尔顿。此类材料包括各种合成聚合物、共聚物和交联聚合物，具有高强度、优良耐化学性、良好热稳定性等性能，广泛应用于防腐、结构材料、生物医学等领域。而化工行业作为我国发展的关键基础产业，由于原料的特殊性，化工生产过程中常涉及高温高压和部分催化反应，进而导致机械设备在使用中出现各类腐蚀问题，造成其服役特性和服役寿命的降低，增加了安全生产风险。
1 化工机械设备常见腐蚀类型
1.1 化学腐蚀
化学腐蚀是由化学反应直接引起的材料损伤，包括酸、碱和盐对金属的直接化学反应。此类反应导致设备材料在没有电流作用的条件下逐渐损耗，出现局部损失，腐蚀导致设备壁薄化、强度下降，最终可能引发泄漏甚至爆炸事故。此腐蚀现象常见于储存酸性或碱性化学品的融合和管道中。
以酸腐蚀为例，其中硫酸（H2SO4）和盐酸（HCl）是化工生产中常见的腐蚀性介质，二者与金属设备表面接触时，可迅速反应生成相应的金属盐和氢气。例如，硫酸与铁反应生成硫酸亚铁（FeSO4）和氢气（H2），反应方程式为 ：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑。此反应不仅消耗了设备材料，还极易因产生的氢气而引发安全问题。而在碱腐蚀情况下，强碱如氢氧化钠（NaOH）同样能与金属反应，尤其是对于铝、锌等活泼金属，反应生成相应的金属氢氧化物和氢气，也会导致设备
材料的损耗和结构性能下降。
1.2 电化学腐蚀
电化学腐蚀是由于电解质中的电子转移导致的腐蚀，常见于金属接触电解液（如水中的盐溶液）时。在此腐蚀过程中，金属表面作为阳极溶解，而在相同电解质中的另一部位（阴极）发生还原反应 [2]。例如，铁在含有氯离子（Cl-）的水溶液中的腐蚀反应为 ：Fe → Fe2++2e-
。电化学腐蚀常导致设备在水线附近或微小缺陷处形成孔蚀和裂缝。且损害由微观开始，随时间积累扩展成宏观破坏。例如，不锈钢在含氯化物的环境中极易发生点蚀腐蚀，尽管不锈钢表面通常形成一层稳定的氧化铬保护膜，但氯化物离子可穿透该层膜并在金属表面形成微小的阳极区域，导致局部加速腐蚀。此种点蚀不易被及时发现，一旦形成，腐蚀速度极快，最终可能导致设备穿孔。
1.3 生物腐蚀
生物腐蚀是由微生物（包括细菌、真菌、藻类等）的生命活动引起的腐蚀过程，常见于化工机械中与水接触的部分。细菌如硫酸盐还原菌（SRB）可通过将硫酸盐（SO42-）还原成硫化氢（H2S），引发金属的腐蚀，化学反应方程式为：SO42-+2C+2H2O=2H2S+2HCO3-。生物腐蚀不仅会导致材料损失，还可能产生毒性气体，并加速金属的腐蚀速率，对化工安全生产与人员安全构成威胁。
2 化工防腐中常用高分子化工材料
2.1 环氧树脂
环氧树脂是由环氧化合物通过聚合反应形成的热固性聚合物，分子结构中含有至少两个环氧基团（-O-）。其化学名称为环氧乙烷的聚合物，基本单元结构为C2H4O。在聚合过程中，环氧基团通过与固化剂（如胺类、酸酐、酚类等）的化学反应交联固化，形成具有高分子量的网络结构。该材料具备较强的机械性能、黏结性能、耐化学性以及电绝缘性，使其成为化学防腐中高频率使用的高分子化工材料。
2.2 不饱和聚酯树脂
不饱和聚酯树脂是一种由不饱和酸（如马来酸或顺丁烯二酸）和多元醇（如乙二醇或丙三醇）通过酯化反应制得的热固性树脂，基本化学式可以表示为：-OC-(R')-COO-(R)-。其中，R'表示不饱和酸的烷基链，R表示多元醇的烷基链。由于不饱和酸和多元醇的分子链中含有碳碳双键（C=C），使得不饱和聚酯树脂可以通过加入引发剂（如过氧化物）和交联剂（如苯乙烯）在加热或紫外光照射下进行交联固化，形成三维网络结构。固化后的不饱和聚酯树脂具有高强度、高硬度及良好的耐磨性，且表现出良好的耐酸、耐碱、耐溶剂性能以及热稳定性，使其成为化工防腐中的理想高分子化学材料。
2.3 聚氨酯
聚氨酯是一类由异氰酸酯和多元醇通过聚合反应制成的高分子化工材料，化学式为 [-RNHCOO-]n。其中R代表通过异氰酸酯与多元醇反应连接的烷基或芳基链段。聚氨酯的合成基于异氰酸酯（R-N=C=O）与多元醇（R'-OH）的反应，其中生成的尿素键（-NH-CO-O-）是聚氨酯分子主链中的关键结构单元。
此反应需催化剂以促进反应速率，并通过选择不同的异氰酸酯和多元醇，以及调整二者比例，来设计和合成具有特定性能的聚氨酯材料。因此，聚氨酯材料具有多样的形态，包括泡沫、弹性体、涂层、黏合剂和密封剂等。又因此聚氨酯对油类、脂肪、多数溶剂及一定浓度的酸和碱具有良好的抵抗性，所以目前在聚氨酯材料最常用的形态仍为防护涂层，以有效隔离腐蚀介质。
3 化工防腐中高分子化工材料的具体应用
3.1 涂层保护
在化工防腐领域，高分子化工材料通过形成涂层保护层来有效延长化工设备和结构的使用寿命。该涂层不仅能够隔离腐蚀介质，减缓或阻止腐蚀过程，还能提供物理保护，抵抗机械磨损和环境侵蚀。涂层保护的应用流程可概括为表面准备、涂层施加、固化处理以及性能评估几个主要步骤。
3.2 结构加固
化工防腐中，高分子化工材料如环氧树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯，因其出色的机械强度、优异的化学稳定性和良好的黏接性能而被广泛应用于化工设施的结构加固和修复中。
3.3 密封和衬里
密封和衬里的目的是通过使用具有良好化学稳定性的高分子材料，如氟聚合物（PTFE），作为化工设备的密封材料和内衬，防止腐蚀性介质的泄漏和侵蚀。在实际化工防腐中，氟聚合物常用于化工反应器的衬里，以及泵、阀门和管道的密封件中。其中，化工反应器，尤其是部分用于进行酸或碱性反应设备，常采用PTFE或PVDF作为衬里材料。此类高分子材料能够承受极端的化学环境，保护反应器壁不受化学物质的侵蚀。特别是PTFE衬里的反应器可以用于生产硫酸、盐酸等强腐蚀性化学品，有效延长设备使用寿命并保持化学品的纯净性。而泵、阀门和管道是化工过程中常见的流体输送设备，所用密封件需采用耐化学腐蚀的高分子材料，如氟橡胶（FKM）和聚四氟乙烯（PTFE）。此类密封材料能够防止有害化学物质泄漏，确保生产过程的安全和环境的保护。例如，PTFE密封圈在高温高压条件下仍能维持良好的密封性能，适用于多种化学流体的密封。可以说，采用高分子材料作为化工机械设备的密封和衬里，能够抵御绝大多数化学介质的侵蚀，减少腐蚀带来的设备损害和化学品污染。并且相比更换整个设备，使用高分子材料作为衬里和密封件，对于化工防腐工作来说，是种成本效益高的维护方式。
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