應用聚丙烯腈纖維增強金屬管線長效防腐材料抗開裂性能實驗研究*

孫世安，邱貞慧，馬 軍，阮少軍，郝敬團，費逸偉

(空軍勤務學院航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

國內(nèi)軍、地機場供油方式主要以金屬管線為主。腐蝕導致埋地金屬管線日趨老化，如果不盡早防范，將影響機場的正常供油，甚至在極端情況下會釀成事故和災難要[1-5]。本工作選用高標號水泥以及有機高分子聚合乳液作為主要原料，并加入外加劑和輔料進行改性，能夠在管線外部固化得到如同陶瓷一樣堅固且有適度柔韌性能的金屬管線長效防腐材料，有望實現(xiàn)管線的長壽命防腐。金屬管線長效防腐材料制備過程中，往往會伴隨出現(xiàn)一些微小裂紋(如圖1為長效防腐材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片，可以看到有明顯的微裂)。如不能有效消除或預防可能產(chǎn)生的細微裂紋，隨著時間的延長，在外界因素的影響下它們極有可能逐步變?yōu)樨灤┑牧鸭y，導致防腐材料固化層貫穿脫落，無法達到長效防腐的目的。

圖1 防腐材料中的微裂紋

大量工程實踐表明，在材料中摻加纖維可起到增加材料抗拉強度和提升彈性模量的作用。聚丙烯腈纖維具有很好的耐酸耐堿性能和延伸性，通過高速攪拌可在水泥中有效分散，并能和材料中的高分子聚合物成充分粘合，本工作擬選用優(yōu)質(zhì)聚丙烯腈纖維對金屬管線長效防腐材料進行改性，以達到控制材料固化過程中產(chǎn)生微小裂紋的數(shù)量，進而強化材料抗開裂性能的目的。

1 試 驗

1.1 儀器與試劑

試驗中用到的主要儀器設備。FEI Quanta 250環(huán)境掃描電子顯微鏡由美國FEI公司生產(chǎn)，HBY-30型養(yǎng)護箱、HLW-5電子拉力試驗機及NJ-160砂漿攪拌機由上海樂遠實驗儀器公司生產(chǎn)。

選用浙江三獅集團特種水泥有限公司生產(chǎn)的PO52.5硅酸鹽水泥和揚州天詩新材料科技有限公司生產(chǎn)的丙烯酸聚合乳液為主原料，性能指標如表1和表2所示。

表1 PO52.5硅酸鹽水泥性能指標

表2 丙烯酸聚合乳液技術指標

纖維采用江蘇海德新材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維，主要參數(shù)如表3所示。

表3 聚丙烯腈纖維主要參數(shù)

消泡劑為江蘇騰達助劑有限公司生產(chǎn)的磷酸三丁酯TBP消泡劑，實驗用為潔凈自來水。

1.2 試驗方法

利用平板試驗系統(tǒng)(如圖2所示)研究聚丙烯腈纖維各摻加量下金屬管線長效防腐材料的裂縫降低率。

圖2 平板試驗系統(tǒng)

取PO52.5硅酸鹽水泥2000 g和丙烯酸聚合乳液1200 g，通過控制加入自來水量使?jié){料流動度為(180±5)mm，加8g磷酸三丁酯TBP消泡劑除去產(chǎn)生的泡沫，依據(jù)表4摻加不同比例的聚丙烯腈纖維，在砂漿攪拌機中充分攪拌后，把漿料灌進平板試驗系統(tǒng)。設置溫度20 ℃、相對濕度65%，并打開碘鎢燈照曬樣品。

表4 聚丙烯腈纖維摻加量

早期抗裂試驗：樣品凝固2 h去除下面聚乙烯薄膜，24 h后統(tǒng)計樣品裂痕情況。

中長期抗裂：24 h后，持續(xù)每天用電扇吹、用碘鎢燈照曬樣品6 h，并統(tǒng)計7 d、14 d、28 d和90 d樣品裂痕情況。

裂縫總面積Acr和裂縫降低率P計算如下：

式中，Acr——裂縫總面積，mm2

Afcr——添加纖維試樣

Amcr——對比用基本樣

wimax——試樣第i條裂縫最大縫寬，mm

li——試樣第i條裂縫長，mm

P——裂縫降低率

取上述樣品，利用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，真空度3.7×10-6mbar，加速電壓30 kV。

2 結(jié)果與討論

圖3為聚丙烯腈纖維各摻加量下金屬管線長效防腐材料抗裂性能。結(jié)果表明，纖維摻加量越多，材料抗開裂性能越優(yōu)異，并在摻加量為1.0‰時達到最優(yōu)，此后，加大纖維摻加量，樣品抗裂性能不再繼續(xù)增強。

圖3 早期抗裂效果

圖4為聚丙烯腈纖維各摻加量下材料中長期抗裂效果。結(jié)果表明，加入聚丙烯腈纖維能夠顯著提高防腐材料的中長期抗裂性能。摻加等量纖維的防腐材料，養(yǎng)護時間越長，抗開裂性能越好。

圖4 中長期抗裂效果

掃描電子顯微鏡觀察上述樣品斷口形貌(圖5)發(fā)現(xiàn)，摻加的聚丙烯腈纖維緊密粘附在防腐材料固化物之中，防腐材料內(nèi)部無明顯裂紋。這是由于金屬管線長效防腐材料制備過程中摻加的聚丙烯腈纖維在高速攪拌作用下分散到防腐材料漿料各處，固化后聚丙烯腈纖維與丙烯酸高分子聚合物充分粘合，這樣它們所形成的復合體就能顯著增強防腐材料中水泥水化固化產(chǎn)物的力學性能，無數(shù)條聚丙烯腈纖維的存在對于可能出現(xiàn)在金屬管線長效防腐材料內(nèi)部的微裂紋能起到“縫合”效果(如圖6所示)，消除防腐材料固化過程中自身塑性收縮產(chǎn)生的內(nèi)應力，進而防止微裂紋貫通成為大宏觀裂紋。

圖5 樣品斷口形貌

圖6 纖維阻止微裂紋擴展示意圖

3 結(jié) 論

(1)在金屬管線長效防腐材料制備中適量加入聚丙烯腈纖維可顯著增強材料的抗開裂性能，并且纖維摻加量越大，材料抗開裂性能越優(yōu)異，當摻加量為1.0‰時能效比最優(yōu)。

(2)摻加的聚丙烯腈纖維能緊密粘附在金屬管線長效防腐材料固化物之中，與丙烯酸高分子聚合物充分粘合，極大強化了防腐材料的力學性能，對于防腐材料內(nèi)部可能出現(xiàn)的微裂紋起到“縫合”作用，能效防止微裂紋貫通成為有害裂紋情況的發(fā)生。