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化工材料

化工材料

分类: 新材料
属性: 技术
最后修改时间: 2018年04月16日
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化工材料(英文名:chemical engineering materials)是建造化工装置所需工程材料的简称。组成化工生产装置的化工机械、化工仪表、管道和构筑物都是在不同温度、压力和机械负荷下运转,所接触的物料又多具有强腐蚀作用。因此,化工材料除应具有一般工程材料的性能外,还应具备优良的耐腐蚀性能。若耐腐蚀性能不良,不但直接影响装置的寿命,有时还可能引起火灾、爆炸等事故,还会影响产品的产量和质量。另外,根据不同的用途和使用条件,有时还要求化工材料具有耐高温或耐低温、导热或隔热等特殊性能。

发展

  化工新材料是新材料产业的一个重要分支,是基础化学工业最具活力和发展潜力的领域。发展化工新材料产业在突破国内资源“瓶颈”,环境保护、调整产业结构,保持石油和化学工业平稳、较快和可持续发展方面“大有可为”。2011年中国原油对外依存度已突破55%,且连续三年超50%警戒线,预计到2020年对外依存度将达67%。国内石化工业能源利用率比发达国家平均低15%,而一些产品单位能耗要高出20%-30%;国内石化产品结构性矛盾突出,总产值的65%以上是由石油和天然气开采、精炼石油、基础化学原料和肥料等初级加工产品构成,不能满足相关产业的需求。

  政策“春风”促发展。化工新材料是国家重点扶持的低碳经济领域新兴产业之一。根据《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》和《新材料产业“十二五”发展规划》,化工新材料产业成为国民经济的先导产业。《石油和化工“十二五”科技发展规划纲要》提出力争到2015年,国内高端化工新材料整体技术水平与发达国家的差距缩小到10年左右,达到本世纪初国际先进水平。《石化和化学工业“十二五”发展规划》提出“十二五”化工新材料发展重点包括:特种合成橡胶、工程塑料、高性能纤维、氟硅材料、可降解材料、功能性膜材料、功能高分子材料复合材料等领域。

  目前国内化工新材料市场存在巨大的市场缺口,进口量占据国内大部分市场份额,国内化工新材料整体自给率在56%左右,其中新领域的化工新材料自给率仅为52%,工程塑料和特种橡胶自给率仅为35%和30%。一般而言,化工新材料产品都会经历产品毛利率波动和进口替代率不断上升的过程。在化工新材料进口替代过程中,多数产品供大于求的矛盾不突出,部分产品供不应求,掌握核心技术的企业产能扩张即能获得与投资成正比的利润,多数企业能实现持续快速增长。高壁垒带来高的回报,尖端化工新材料产品毛利率在70%以上,远远超过大宗化学品15%左右的行业平均利润。

材料种类

  由于化工生产的物料和工艺条件各不相同,因而化工材料的品种繁多,型号、规格复杂,既包括一般工程材料,也包括化工装置专用的具有特殊性能、特殊用途的材料。

  化工材料分为金属材料和非金属材料两大类。化工用金属材料又可分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料主要指铁和钢,多数化工机械设备是用铸铁和碳钢制成的。高合金铁、高合金钢(如高硅铁、高镍铁和各类不锈钢)以及镍、铜、铝、钛、锆及其合金,也广泛应用于化工生产中。非金属材料在化工中的使用日益广泛,主要有塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、搪瓷、不透性石墨等类。塑料发展迅速,耐蚀性优良,应用最广泛;不透性石墨既耐热、耐酸、还具有高热导率,用量也较多;陶瓷、玻璃等耐酸性良好,但性脆,又不能制成大体积设备,所以其本身用途有限,但可用来搪、衬金属表面,制成耐蚀的搪瓷设备,搪(或衬)玻璃的槽、罐等。

  在金属与非金属之间,还有一种非晶质(态)合金,具有过冷液体的结构,耐蚀性很强,有些接近钽和贵金属,是一种发展中的材料。

  为了利用不同材料的优点,还发展了多种复合材料,其中有:①金属与金属复合,如夹层金属板,利用高强度、低耐蚀的材料(如碳钢、铝合金)作底层,耐蚀性较高的材料(如纯铝、镍、钛、不锈钢等)作接触腐蚀介质的表层。②非金属与非金属复合,如增强塑料。③非金属与金属复合,如合金陶瓷,既有一定强度,又能耐高温。

机械性能

  化工机械一般都承受一定压力、拉力或冲击力,故化工材料首先须满足机械性能的要求,主要是抗拉强度、屈服强度、冲击强度、蠕变强度、弹性模数、伸长率、硬度、疲劳极限等。化工机械又多在强腐蚀环境和介质中运转,如采用手册中的强度标准值(或称名义强度,即在空气中试验的平均值),有时会在应力远低于最大值时损坏,在可能产生应力腐蚀破裂或腐蚀疲劳的环境中尤其如此(见腐蚀和防腐),故对可能产生应力腐蚀破裂的环境,考虑采用应力腐蚀破裂临界强度值。

耐腐蚀性

  相对概念

  不同材料对于各种腐蚀环境具不同的耐蚀性,所谓优良耐蚀材料只是相对的概念。例如:一般认为不锈钢是优于普通碳钢的耐蚀材料,但这只是在大气、水和氧化性环境中才如此;在还原性酸中,两者同样被腐蚀;在70%以上的浓硫酸中,碳钢比不锈钢好;在含有氯离子的水中,奥氏体不锈钢可能产生应力腐蚀破裂,而碳钢却没有这种危险。通常在手册中载有各种材料在各种环境中(酸、碱、盐、气体、无机物、有机溶剂、大气、土壤、水、海水、工业产品、食品及植物油等)的腐蚀数据,如手册中没有所需数据,则应进行腐蚀试验。

  评定标准

  金属耐蚀性的评定标准,按均匀腐蚀率大小分四个等级。对于精密部件和高压、有危险性的设备应用腐蚀率极低的一级材料,一般容器、设备等则可用二三级材料,适当增加壁厚,可保证较长寿命。对于金属材料,不仅要注意均匀腐蚀,更应注意局部腐蚀。当手册上指出这种“材料-环境”体系有产生孔蚀、晶间腐蚀,应力腐蚀破裂的可能时,则避免采用,或采取必要的防护措施。

  非金属迄今还没有很好的评定方法,对于玻璃、陶瓷、石墨等可以参用金属标准。而塑料和橡胶的适用标准可参考下列数字:抗弯强度的下降要小于25%;重量或尺寸变化要小于5%;硬度(洛氏M)变化要小于30%。

  环保安全

  在选材中还必须考虑材料与环境的反应是否对环境或生产造成不利的影响,如是否会污染产品质量,影响工序流程,产生副反应,降低收率,甚至引起火灾、爆炸等。如有些材料腐蚀率虽然很低,但能使产品的色、香、味变质,甚至产生毒性(如微量铅化合物),这对于食品、医药、纤维、化妆品类的工业,就绝对不能使用。

加工性能

  材料的加工性能如铸造、切削、焊接、锻造、热处理等性能应满足要求。其中焊接性能对化工设备尤为重要。

物理性能

  材料一般物理性能如密度、熔点、热导率、热膨胀系数等,也应加以考虑。例如:要选用热导能力强的材料制造换热器;选用热导能力最低的材料做保温材料。

经济效益

  选材的目的是避免设备、建筑等过早地损坏,保证生产正常运转,这实质上是一个经济效益问题。希望选用的材料都是耐蚀性最优、价格最低,但往往耐蚀性最强的材料价格却很高。通常需要从材料价格、设备寿命、检修周期、维修费用、停产损失、事故可能性和废品价值等各方面来综合考虑,以选择最合适的材料。一般短期运转的中间试验设备,小型、间断操作设备和容易更换的零部件,可选用价格和耐蚀性较低的材料;大型连续生产设备,则要求寿命长、检修次数少,多采用价格较高、耐蚀性强的材料。

绿色环保

  2008年,北京成功举办29届奥运会令全球瞩目,绿色化工材料也因本届奥运会被人们广泛认同。从某种意义上说,引领绿色环保消费理念的北京奥运会,开启了我国绿色化工材料行业的新纪元。因为与短暂的北京奥运会相比,绿色化工材料的“后奥运”效应更值得业界期待。

  “鸟巢”、“水立方”等一批奥运标志性场馆已成为绿色北京的象征和节能环保的样板。建设这些场馆所需要使用先进化工材料和技术,因而化学工业是当之无愧的功臣。

  2008北京奥运会不折不扣地成为绿色化工材料等一大批高精尖技术、产品演示的舞台。奥运村、“鸟巢”和“水立方”等场馆设施都采用了零VOC(挥发性有机化合物)和低VOC水性涂料。如“水立方”的泡泡吧采用了拜耳公司的无溶剂以及水性聚氨酯环保涂料。水性聚氨酯涂料具有无污染、黏合持久、干燥时间更短等特性,并且更容易维护;此外这种涂料还是不可燃材料,具有防火性能。大连振邦集团研制生产的氟碳涂料,用于“鸟巢”钢结构的涂装,总涂装面积达到28.4万平方米。氟碳涂料不仅耐候、耐溶剂、耐酸碱性能优异,而且成膜物质高度稳定,无毒无害,被誉为“涂料之王”,是继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等高性能涂料之后新兴的一种高端涂料。

  在奥运建筑的隔热保温材料方面,聚氨酯隔热保温材料、聚氨酯外墙涂料和挤塑聚苯乙烯是用得最多的几种,它们为奥运建筑穿上绚丽的保暖外衣。如“鸟巢”采用了聚氨酯硬泡保温节能材料,这种保温材料具有保温节能、环保和降噪的功能。

  不仅如此,奥运场馆还采用了多项化工环保新技术。如“鸟巢”采用了中国蓝星水处理技术有限公司开发的中水和雨水回用技术。该技术经过石英砂过滤、超滤膜过滤和纳滤膜过滤3道2008年世界先进的处理工艺,使中水回用污水处理再生利用率达到100%,可解决场馆70%的用水需求。中国石化承担的“鸟巢”8万个固定座椅的原料研发、外形设计、生产制作等。这些座椅采用聚丙烯中空成型,座椅专用原料在耐候、阻燃等方面均达到国际领先水平,并实现了可回收再利用。

  膜材料让奥运场馆得以大放异彩。“水立方”的外立面涂层采用的是乙烯-四氟乙烯的共聚物(ETFE)膜材料。有自我清洁、节能、隔热保温等功能。仅在控温方面,膜结构就能帮助"水立方"节省30%的电力。“鸟巢”铺的是两层膜,ETFE膜和PTFE(聚四氟乙烯)膜,PTFE膜实际上是一层“隔音幕”,能够较好地解决噪音问题。奥运会射击馆的防弹膜工程采用了PET(聚对苯二甲酸乙二酯)膜材料,具有高透光性、隔紫外线、节能环保、单项透视、耐久性强、防爆、防盗等优点。

  北京奥运会还大量采用了生物降解材料制品,如塑料袋、一次性餐盒及临时塑料桌椅等。据统计,仅南京比澳格公司就提供了570万个全降解的塑料袋。北京奥运会期间集中用餐地点大量使用了生物降解塑料餐具,奥运场馆所需的近10万把临时塑料座椅都是由生物降解塑料制造的。

  此外,喷涂聚脲、聚氨酯、膨润土防水毯、聚氯乙烯单层屋面系统、聚乙烯丙纶等绿色防水材料,废旧橡胶生产的道路沥青和木塑复合材料等再生材料,作为生态建筑的“宠儿”的聚碳酸酯材料等,都在北京奥运会上获得广泛的应用。可以说,绿色化工材料和技术渗透到了北京奥运会的方方面面。

  2008北京奥运会虽然已经结束,但绿色化工材料产业化的市场大门刚刚开启。随着奥运会所倡导的环保理念日渐深入人心,业界相信,在北京奥运会巨大的示范和宣传效应促进下,绿色健康的化工新材料、新技术将加速产业化的步伐,其产品和技术将得到进一步升级,也将在更多的领域获得广泛应用。

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