聚苯硫醚（PPS）涂層在化工設(shè)備中的應(yīng)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(jìn)行涂覆，形成保護(hù)涂層，并測試該涂層的硬度、導(dǎo)熱系數(shù)、耐老化、耐腐蝕和耐冷熱沖擊等各項(xiàng)性能。結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)與搪玻璃相近，并大幅優(yōu)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(jī)溶劑有良好的耐腐蝕性。工業(yè)化生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，PPS涂層在多個高溫、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下均能有效保護(hù)金屬設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：聚苯硫醚；非金屬耐腐蝕材料；化工設(shè)備

中圖分類號：TQ 31 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在石油煉化、精細(xì)化工等領(lǐng)域，設(shè)備腐蝕[1]造成的經(jīng)濟(jì)損失和重大安全問題已經(jīng)引起生產(chǎn)企業(yè)的高度重視，管道和換熱器腐蝕問題尤其突出，介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、設(shè)備材質(zhì)選型不當(dāng)以及生產(chǎn)操作不當(dāng)?shù)仁菍?dǎo)致腐蝕的常見原因。腐蝕的形式多為點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕，多發(fā)生在酸性并含鹵素離子的水溶液環(huán)境中。在換熱介質(zhì)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(hù)是化工管道和換熱器防腐的常用手段。涂層防護(hù)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(hù)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(jié)晶型熱塑性聚合物，其主鏈由苯環(huán)和硫原子交替排列而成。耐腐蝕PPS樹脂是根據(jù)下游應(yīng)用實(shí)際需求開發(fā)的全新系列產(chǎn)品，經(jīng)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(yīng)用于化工設(shè)備防腐、電氣絕緣等領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(yīng)用前景，本文對PPS涂層的各種基礎(chǔ)理化性能進(jìn)行了測試。測試性能參數(shù)包括硬度（鉛筆硬度和邵氏硬度）、Taber磨耗指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、落錘沖擊和沖擊力等，相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)和方法見表1。同時，為驗(yàn)證PPS涂層在化工管道和換熱器等設(shè)備中的防護(hù)應(yīng)用潛力，本文自行搭建了各種簡易檢測裝置，進(jìn)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(wěn)定性和耐腐蝕性，不易與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。PPS涂層的耐腐蝕性能測試基于GB10124—1988《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》，并采用浸泡法，所用腐蝕介質(zhì)為化學(xué)工業(yè)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(zhì)使用3片PPS試件進(jìn)行獨(dú)立浸泡，腐蝕介質(zhì)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(zhì)。腐蝕浸泡試驗(yàn)總時長為30d，分別在室溫和高溫（95℃）下進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后取出試件進(jìn)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(fēng)干燥、稱重以及拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層基礎(chǔ)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(chǔ)性能比較結(jié)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(shù)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(yuǎn)高于PTFE；落錘沖擊結(jié)果表明，PPS涂層的耐沖擊性能優(yōu)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(dǎo)熱系數(shù)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(yè)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(yōu)于PTFE和Halar，長期使用溫度上限和導(dǎo)熱系數(shù)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(yōu)于搪玻璃，在某些化工過程和設(shè)備領(lǐng)域具有良好應(yīng)用，有望替代傳統(tǒng)的搪玻璃、PTFE和Halar。

2.2 耐老化性能

具有工業(yè)應(yīng)用前景的涂層產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)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(jìn)行不同溫度下的老化試驗(yàn)，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(qiáng)度，比較兩者的耐老化性能，如圖2所示。當(dāng)溫度從室溫升至200℃時，PPS涂層的附著力強(qiáng)度沒有發(fā)生明顯變化，剪切剝離強(qiáng)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(yīng)用于150℃以上的場景。測試結(jié)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(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工安裝等影響，化工流體輸送管道和換熱器等會發(fā)生設(shè)備振動，導(dǎo)致破損泄漏，在流體介質(zhì)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(yīng)用效果，本文搭建了簡易的振動模擬裝置，并進(jìn)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(jù)支撐板孔的大小調(diào)節(jié)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(yàn)結(jié)束后使用電火花進(jìn)行檢測。

耐振動疲勞性能測試結(jié)果表明，經(jīng)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(fā)現(xiàn)肉眼可見的磨損，在換熱管對應(yīng)支撐板位置處進(jìn)行電火花測試，也沒有發(fā)現(xiàn)涂層破損。但是，當(dāng)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(xiàn)磨損破裂。測試結(jié)果說明，PPS涂層具有較好的耐振動疲勞性能，當(dāng)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(jī)械碰撞緩沖保護(hù)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(huán)性能息息相關(guān)，為此本文進(jìn)行了PPS涂層的冷熱沖擊試驗(yàn)。冷熱沖擊方式如下所示。1）耐高、低溫循環(huán)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(xù)升溫，如此循環(huán)，進(jìn)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(dá)到170℃后取出，直接浸沒于20℃的水相中。待溫度達(dá)到20℃后取出，直接放入170℃的高溫烘箱中。如此循環(huán)，進(jìn)行急速升、降溫沖擊132次。試驗(yàn)過程中使用紅外測溫儀檢測表面溫度，以判斷試件是否達(dá)到設(shè)定溫度。

測試結(jié)果分別如圖5、圖6所示。無論是稍慢速變溫的高、低溫循環(huán)沖擊測試，還是急速變溫的升、降溫沖擊測試，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)冷熱沖擊后，PPS涂層的剪切剝離強(qiáng)度的下降幅度均低于Halar涂層，表明PPS涂層具有優(yōu)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(yàn)證PPS涂層的耐腐蝕性能，本文采用常見的腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行全浸泡腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果分別見表4、表5。在常溫條件下，PPS在常見的無機(jī)酸和有機(jī)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(zhì)中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，并且外觀沒有發(fā)生明顯變化，但是在濃度98%的強(qiáng)氧化性H2SO4中卻出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。在高溫95℃條件下，在HCl、HBr、HNO3、H2SO4以及混合酸介質(zhì)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(nèi)。在強(qiáng)氧化性20% HNO3溶液介質(zhì)中，PPS涂層發(fā)生脫落和變脆等現(xiàn)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(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)良的耐腐蝕性，質(zhì)量和外觀均未發(fā)生明顯變化。需要注意的是，在常溫的30% H2O2介質(zhì)中，PPS涂層出現(xiàn)顏色變白的現(xiàn)象，說明PPS涂層在強(qiáng)氧化性環(huán)境下存在變性現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致耐腐蝕性和其他性能下降。同時，在其他氧化性強(qiáng)酸等強(qiáng)氧化性介質(zhì)和部分有機(jī)溶劑中，PPS涂層會出現(xiàn)不同程度的鼓包脫落、顏色變化和溶脹現(xiàn)象，這些現(xiàn)象源自PPS本身性質(zhì)受到化學(xué)和物理上的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致耐腐蝕性能下降。

3 應(yīng)用案例

本文基于多年的技術(shù)開發(fā)，將多個實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)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(jìn)行金屬設(shè)備防護(hù)，PPS涂層耐腐蝕效果突出，成功實(shí)現(xiàn)了多個工業(yè)化應(yīng)用，幫助企業(yè)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(jìn)行防腐升級，已累積運(yùn)行21個月，至今沒有進(jìn)行維修，運(yùn)行良好，解決了困擾該公司多年的原金屬換熱器由腐蝕導(dǎo)致頻繁內(nèi)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(yùn)行近22個月，至今狀況良好，沒有出現(xiàn)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(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕泄漏問題，表明PPS涂層良好防腐作用和應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

新型非金屬耐腐蝕材料PPS樹脂涂料的各項(xiàng)涂層基礎(chǔ)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(shù)高等性能。同時，PPS涂層在大部分常見的酸、堿、鹽等介質(zhì)和高溫、含固體沖擊的強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性。PPS涂層換熱器、管道以及儲罐等產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于多個化工工業(yè)場景。工業(yè)應(yīng)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(shè)備防護(hù)效果更好。

參考文獻(xiàn)

[1]陳俊輝.化工機(jī)械設(shè)備腐蝕原因及防腐方法分析[J].中國設(shè)備工程，2023（20）：269-270.

[2]聶明成.換熱器腐蝕與防護(hù)的現(xiàn)狀與展望分析[J].化工管理，2018（31）：138.

[3]劉洪，姜希猛，李玉鳳，等.聚苯硫醚的合成方法、工藝及應(yīng)用研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（2）：63-66.

[4]楊廣成.淺析靜電噴涂工藝參數(shù)中的距離要點(diǎn)設(shè)定及確認(rèn)[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2024，27（3）：69-72.

[5]馬小豐，董金明，李洪娟，等.高耐磨聚甲醛粉末靜電噴涂涂層的配方設(shè)計(jì)及噴涂工藝研究[J].中國塑料，2023，37（6）：83-90.

[6]楊鋒.鋼結(jié)構(gòu)有限空間的電火花涂層檢驗(yàn)技術(shù)[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2020，23（9）：45-47.