聚苯硫醚（PPS）涂層在化工設備中的應用

摘 要：本文以一種新型非金屬PPS樹脂涂料為原料，采用靜電噴涂在不銹鋼工件上進行涂覆，形成保護涂層，并測試該涂層的硬度、導熱系數、耐老化、耐腐蝕和耐冷熱沖擊等各項性能。結果表明，PPS涂層的耐磨損、耐剝離和耐高溫性能僅次于搪玻璃，長期使用溫度上限和導熱系數與搪玻璃相近，并大幅優于聚四氟乙烯（PTFE）和哈拉（Halar）涂層，具有更好的耐老化、耐腐蝕、振動疲勞和冷熱沖擊等性能，同時對酸、堿和有機溶劑有良好的耐腐蝕性。工業化生產驗證結果表明，PPS涂層在多個高溫、強腐蝕性環境下均能有效保護金屬設備，具有良好的應用前景。

關鍵詞：聚苯硫醚；非金屬耐腐蝕材料；化工設備

中圖分類號：TQ 31 " " 文獻標志碼：A

在石油煉化、精細化工等領域，設備腐蝕[1]造成的經濟損失和重大安全問題已經引起生產企業的高度重視，管道和換熱器腐蝕問題尤其突出，介質腐蝕性強、設備材質選型不當以及生產操作不當等是導致腐蝕的常見原因。腐蝕的形式多為點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕，多發生在酸性并含鹵素離子的水溶液環境中。在換熱介質中，鹵素離子（Cl-、Br-）普遍存在，造成的腐蝕問題防不勝防。

涂層防護是化工管道和換熱器防腐的常用手段。涂層防護是在管道和換熱器表面涂覆一層致密而光滑的耐腐蝕材料[2]，在不大幅降低換熱效率的同時，有效保護金屬材料不受腐蝕。

PPS樹脂涂料[3]是由多鹵代苯和金屬硫化物縮聚而成的半結晶型熱塑性聚合物，其主鏈由苯環和硫原子交替排列而成。耐腐蝕PPS樹脂是根據下游應用實際需求開發的全新系列產品，經過特殊處理后添加了功能性填料和助劑，具有耐腐蝕、耐磨、耐高溫和絕緣等特性，可應用于化工設備防腐、電氣絕緣等領域。

1 試驗

1.1 試驗材料

本文以浙江新和成特種材料有限公司提供的NHU PPS樹脂涂料為原料，采用靜電噴涂方式[4-5]在金屬工件上進行噴涂。試樣件尺寸為50mm×15mm×2mm。噴涂原理如圖1所示。噴涂前，對金屬試件依次使用400#、600#、1000#、1200#、1500#和2000#砂紙打磨平整，進而堿洗除油、酸洗除銹，使用去離子水沖洗并烘干，再使用靜電噴槍將PPS樹脂粉末均勻噴涂在工件表面上，放入烘箱中加熱至300℃熔融固化，固化結束自然冷卻至室溫。利用電火花檢測表面是否存在噴涂缺陷[6]，如果有缺陷，那么按照上述步驟重新噴涂。

1.2 涂層性能測試

為探索PPS樹脂涂料涂層的應用前景，本文對PPS涂層的各種基礎理化性能進行了測試。測試性能參數包括硬度（鉛筆硬度和邵氏硬度）、Taber磨耗指數、導熱系數、落錘沖擊和沖擊力等，相應的測試標準和方法見表1。同時，為驗證PPS涂層在化工管道和換熱器等設備中的防護應用潛力，本文自行搭建了各種簡易檢測裝置，進行耐老化、耐腐蝕、振動疲勞和冷熱沖擊等性能測試。

1.3 耐腐蝕性能測試方法

PPS具有良好的穩定性和耐腐蝕性，不易與其他化學物質發生反應。PPS涂層的耐腐蝕性能測試基于GB10124—1988《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，并采用浸泡法，所用腐蝕介質為化學工業中常見的具有腐蝕性的溶液，主要包括酸（硝酸、甲酸、醋酸和氯乙酸等水溶液）、堿（NaOH溶液）和鹽溶液（KBr溶液和NaCl溶液）。每種腐蝕介質使用3片PPS試件進行獨立浸泡，腐蝕介質體積與PPS試件表面積的比值≥20mL/cm2，每隔5d更新一次腐蝕介質。腐蝕浸泡試驗總時長為30d，分別在室溫和高溫（95℃）下進行。試驗結束后取出試件進行清洗（先使用去離子水清洗，再使用酒精/丙酮清洗，最后使用去離子水沖洗）、冷風干燥、稱重以及拍照記錄。

2 結果與討論

2.1 涂層基礎性能

PPS粉末涂料涂層和常見防腐涂料涂層（Halar涂層、PTFE涂層和搪玻璃）的基礎性能比較結果見表2。PPS涂層的鉛筆硬度和邵氏硬度分別是4H和89HD，高于PTFE和Halar，與搪玻璃相近；磨耗指數為8mg/1000r～16mg/1000r，是搪玻璃的2～3倍，但是大幅低于PTFE和Halar；附著力為13MPa，低于Halar，但是遠高于PTFE；落錘沖擊結果表明，PPS涂層的耐沖擊性能優于搪玻璃。同時，PPS的涂層密度為1.6mg/cm3，低于PTFE和搪玻璃；長期使用溫度上限為180℃（短期可在200℃～220℃下使用），僅次于搪玻璃（200℃），比PTFE和Halar高出40℃～50℃。另外，PPS涂層的導熱系數為0.5W/（m·K），略低于搪玻璃，但是高于PTFE和Halar。

與3種化工行業常用的非金屬涂層材料相比，PPS涂層的耐磨損、耐剝離和耐高溫性能僅次于搪玻璃，但是優于PTFE和Halar，長期使用溫度上限和導熱系數與搪玻璃相近，并大幅高于PTFE和Halar。更重要的是，PPS涂層的耐沖擊性能大幅優于搪玻璃，在某些化工過程和設備領域具有良好應用，有望替代傳統的搪玻璃、PTFE和Halar。

2.2 耐老化性能

具有工業應用前景的涂層產品應當具有較長壽命和耐老化性能。將PPS涂層試件和Halar涂層試件同時放置于高溫烘箱中，進行不同溫度下的老化試驗，老化總時長為90d，檢測Halar和PPS涂層在不同溫度下的附著剝離強度，比較兩者的耐老化性能，如圖2所示。當溫度從室溫升至200℃時，PPS涂層的附著力強度沒有發生明顯變化，剪切剝離強度始終維持在18MPa以上。超過150℃后，Halar涂層的附著力呈斷崖式下降，說明Halar涂層并不能長期應用于150℃以上的場景。測試結果表明，PPS涂層比Halar涂層具有更好的耐老化性能，能在≥150℃的高溫環境下長期使用，并保持良好的附著能力。

2.3 耐振動疲勞性能

受工藝變化、結構設計和加工安裝等影響，化工流體輸送管道和換熱器等會發生設備振動，導致破損泄漏，在流體介質存在腐蝕性的情況下，破損泄漏頻率將大幅上升。為探索PPS涂層在長期振動工況下的應用效果，本文搭建了簡易的振動模擬裝置，并進行耐振動疲勞性能測試，測試條件和裝置如表3和圖3所示。測試時，在不銹鋼管外部噴涂PPS涂層，根據支撐板孔的大小調節管子與支撐板孔洞間隙，使其處于0.3mm～1.4mm。整個平臺按照一定頻率和振幅上、下振動，試驗結束后使用電火花進行檢測。

耐振動疲勞性能測試結果表明，經過600萬次振動后，在換熱管和支撐板同時噴涂PPS涂層的情況下，換熱管的PPS涂層沒有發現肉眼可見的磨損，在換熱管對應支撐板位置處進行電火花測試，也沒有發現涂層破損。但是，當支撐板沒有噴涂PPS涂層時，如圖4所示，換熱管的PPS涂層在振動500萬次后出現磨損破裂。測試結果說明，PPS涂層具有較好的耐振動疲勞性能，當換熱器受到振動沖擊時，PPS涂層可以同時對換熱管和支撐板起到良好的機械碰撞緩沖保護作用。

2.4 耐冷熱沖擊性能

換熱器的壽命與其抗溫度交變循環性能息息相關，為此本文進行了PPS涂層的冷熱沖擊試驗。冷熱沖擊方式如下所示。1）耐高、低溫循環沖擊。將試件同時于高溫烘箱中，先以7℃/min的速度從20℃升至155℃，并以3℃/min的速度降至20℃，再繼續升溫，如此循環，進行冷熱沖擊1000次。2）急速升、降溫沖擊。先將試件置于170℃的高溫烘箱中，達到170℃后取出，直接浸沒于20℃的水相中。待溫度達到20℃后取出，直接放入170℃的高溫烘箱中。如此循環，進行急速升、降溫沖擊132次。試驗過程中使用紅外測溫儀檢測表面溫度，以判斷試件是否達到設定溫度。

測試結果分別如圖5、圖6所示。無論是稍慢速變溫的高、低溫循環沖擊測試，還是急速變溫的升、降溫沖擊測試，經過一定次數的循環冷熱沖擊后，PPS涂層的剪切剝離強度的下降幅度均低于Halar涂層，表明PPS涂層具有優異的耐冷熱沖擊性能，更適用于間歇性換熱過程或者冷熱交變較頻繁的換熱場景。

2.5 耐腐蝕性能

為驗證PPS涂層的耐腐蝕性能，本文采用常見的腐蝕性介質進行全浸泡腐蝕試驗，結果分別見表4、表5。在常溫條件下，PPS在常見的無機酸和有機酸（例如HNO3、H3PO4、HF、HAC和氯乙酸等）、鹽溶液（例如NaCl和NaBr）以及NaOH溶液等腐蝕介質中表現出良好的耐腐蝕性能，并且外觀沒有發生明顯變化，但是在濃度98%的強氧化性H2SO4中卻出現鼓包現象。在高溫95℃條件下，在HCl、HBr、HNO3、H2SO4以及混合酸介質中，PPS涂層的耐腐蝕性能比常溫下略有下降，但是在可接受范圍內。在強氧化性20% HNO3溶液介質中，PPS涂層發生脫落和變脆等現象，防腐性能下降。

無論是在常溫還是高溫下，PPS涂層在常見的酸、堿和鹽等腐蝕性介質中均表現出優良的耐腐蝕性，質量和外觀均未發生明顯變化。需要注意的是，在常溫的30% H2O2介質中，PPS涂層出現顏色變白的現象，說明PPS涂層在強氧化性環境下存在變性現象，進而導致耐腐蝕性和其他性能下降。同時，在其他氧化性強酸等強氧化性介質和部分有機溶劑中，PPS涂層會出現不同程度的鼓包脫落、顏色變化和溶脹現象，這些現象源自PPS本身性質受到化學和物理上的破壞，進而導致耐腐蝕性能下降。

3 應用案例

本文基于多年的技術開發，將多個實際生產運行中的工件（例如小尺寸管件、換熱器、儲罐和大尺寸管道）表面涂覆PPS涂層，進行金屬設備防護，PPS涂層耐腐蝕效果突出，成功實現了多個工業化應用，幫助企業解決了困擾多年的腐蝕泄露問題，案例匯總見表6。其中，某A公司于2022年10月投入使用PPS涂層煙氣換熱器，外壁、筒體和管箱均采用PPS涂層進行防腐升級，已累積運行21個月，至今沒有進行維修，運行良好，解決了困擾該公司多年的原金屬換熱器由腐蝕導致頻繁內漏的難題。某B公司于2022年9月投入使用PPS涂層DN1000硫酸氣管道，采用碳鋼噴涂PPS涂層的方案，已運行近22個月，至今狀況良好，沒有出現腐蝕泄漏，有效解決了原硫酸管道的腐蝕破損問題。表6中的多個案例到目前為止基本運行良好，沒有出現嚴重的腐蝕泄漏問題，表明PPS涂層良好防腐作用和應用前景。

4 結論

新型非金屬耐腐蝕材料PPS樹脂涂料的各項涂層基礎性能與搪玻璃相近，具有比搪玻璃更好的耐沖擊性能。與PTFE和Halar涂層相比，PPS涂層具有更好的耐磨損、耐高溫、耐冷熱沖擊以及傳熱系數高等性能。同時，PPS涂層在大部分常見的酸、堿、鹽等介質和高溫、含固體沖擊的強腐蝕性環境中具有優良的耐腐蝕性。PPS涂層換熱器、管道以及儲罐等產品已經成功應用于多個化工工業場景。工業應用案例表明，PPS樹脂涂料可以在某些化工生成過程中代替廣泛使用的搪玻璃、PTFE和Halar，設備防護效果更好。

參考文獻

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