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不同腐蚀液处理聚丙烯衬塑复合钢管衬里的衰减全反射光谱研究

来源:http://www.81929.net/article/2020310259.html

    聚丙烯(PP)衬塑复合钢管是一种采用碳钢管作为基体,内衬聚丙烯塑料,经过加热、加压、冷却定型等加工工艺制备而成的复合管材[,_o聚丙烯衬塑复合钢管不仅具有钢制管良好的机械性能,如高强度、高模量和高抗冲等,而且还具有塑料管材的优异防腐蚀和耐磨性能[dap。随着国民经济的快速发展,聚丙烯衬塑复合钢管己经广泛应用于石油、城市供水、天然气、化工、纺织、印染、造纸、污水处理、食品和医药等各个领域[L_}zl
    在使用的过程,复合管的塑料衬里会受到不同程度的侵蚀,致使衬里材料的表面结构发生变化。衰减全反射(ATR)分析法是研究高分子材料表面结构信息的一种有效方法[l3一伙而且对衬里材料的本体不会造成损伤,属于一种无损分析,操作简单、灵敏度高[l6一l7]。因此,采样ATR分析法来研究不同种类的腐蚀液对聚丙烯衬塑复合钢管衬里表面结构和性能的影响具有重要的现实意义。

    本研究采用ATR红外分析法,分别选用硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和高锰酸钾溶液来模拟工业中聚丙烯衬塑复合钢管传输的酸性液体、碱性液体、中性盐类液体和具有氧化性的液体,分别研究这儿种不同腐蚀液对聚丙烯衬塑复合钢管ATR光谱的影响。
一、实验部分

1、原材料
    聚丙烯衬塑复合钢管,直径160 mm。浓硫酸,质量分数98% ;氢氧化钠,固体粉末状;氯化钠,固体颗粒状;高锰酸钾,粉末状;均分析纯。

2、试样的制备
    1)腐蚀液的配置:分别选用质量分数98%浓硫酸、氢氧化钠粉末、氯化钠粉末、高锰酸钾粉末作为溶质,选用蒸馏水作为溶剂,使用容量瓶、电子天平、烧杯等器具,分别配置出表1所示的溶液。
    2)试样的处理:将上述配置好的不同含量的硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和高锰酸钾溶液分别倒入2.5 L带盖广口瓶中,将预先裁截好的聚丙烯衬塑复合钢管样条放入广口瓶中,放入恒温60℃的烘箱中,放置72 h后,取出样条,测试其复合管塑料衬里的ATR光谱。作为空白实验对照,选用蒸馏水浸泡处理聚丙烯衬塑复合钢管上截取的样条,测试其复合管塑料衬里的ATR光谱。

3、测试与表征
    将处理过的样条用蒸馏水冲洗3}5次后,放入60℃烘箱中干燥,随后采用MAGNA-IR760型傅立叶红外光谱仪对试样进行ATR分析。

二、结果与讨论

1、蒸馏水的ATR
    分别测试了在60℃烘箱中保持72 h未浸泡的样条和在60 0C蒸馏水浸泡72 h样条的ATR光谱,蒸馏水浸泡处理前后样条的ATR光谱如图1所示,各特征峰的位置归属如表2所示。




维持不变,即蒸馏水浸泡前、后的样条ATR光谱的基本一致。这说明在60℃条件下浸泡72 h后的样条的官能团、化学成分没有发生变化,即蒸馏水对聚丙烯衬塑复合钢管的ATR光谱不产生影响。

    由图2可知,5个浸泡硫酸溶液的光谱中特征峰峰值及其强度基本一致,说明在所讨论的含量范围内,硫酸溶液的含量变化对样条的ATR光谱基的影响不大;但将这5个光谱与未浸泡硫酸溶液的样条ATR光谱相比,除了共同的吸收峰外,还出现了儿个新的特征峰,分别在波数3 0943 643 cm-‘出现了1个中等强度的经基(-OH)的吸收宽峰,说明在60℃条件下,硫酸溶液浸泡72 h后,样条表面被稀硫酸侵蚀而产生了一定数目的经基(-OH );在1 649〔二一‘附近出现了较强吸收峰和1 542附近出现的中等吸收峰的归属尚不能确定,可能是烯醇经基的变形振动吸收峰。尽管如此,同样也说明了硫酸溶液对聚丙烯衬塑复合钢管样条的ATR光谱产生一定的影响。
    聚丙烯中含有较多的甲基,即使少量发生变化,其总量也不会大幅变化,故选取1 376 cm‘处的甲基吸收峰作为内标峰。除蒸馏水浸泡样条ATR光谱外,在1 747 cm‘出现了新的特征峰,这可能是硫酸溶液浸泡后,样条表面生成了碳基吸收峰(C=0),通过分析该峰的吸光度与内标峰的吸光度比可以评判聚丙烯衬里受硫酸的影响程度。
    图3为经过不同含量硫酸溶液浸泡后,样条的碳基峰吸光度与内标峰吸光度比(AlA })随硫酸含量的变化关系。

    由图3可知,经过硫酸溶液浸泡后样条的吸光度比随着硫酸含量变化在一定范围内波动,这说明硫酸溶液含量的变化对样条的腐蚀程度存在一定影响,但影响微小。

3、碱性腐蚀液的ATR光谱
    将样条浸泡在质量分数分别为3% ,6% ,9% ,12%,15%的60 0C氢氧化钠溶液72 h后,取出用蒸馏水洗净并干燥,测定ATR光谱,其结果如图4所示。

    从图4可知,5个浸泡氢氧化钠溶液样条ATR光谱中特征峰基本一致。与未浸泡样条的ATR光谱相比,出现了儿个新的特征峰,在1 747〔二一‘处出现了碳基伸缩振动吸收峰;2.2节己述及,在1 649 cm和1 544 cm-‘处也出现了2个特征吸收峰,这可能为烯醇经基的变形振动引起的,因此,这说明氢氧化钠溶液对聚丙烯衬里的微观结构产生了一定的影响。
    将1 747cm-`碳基伸缩振动峰的吸光度与内标峰吸光度的比作为聚丙烯衬里受氢氧化钠溶液影响程度的评判标准。不同含量氢氧化钠溶液浸泡后样条的碳基峰吸光度与内标吸光度的比随氢氧化钠含量的变化如图5所示。

    由图5可知,经过氢氧化钠溶液浸泡后的样条碳基特征峰吸光度与内标峰吸光度的比总趋势是随氢氧化钠含量的增加而增加,之后维持不变,说明氢氧化钠含量的变化对聚丙烯衬里的腐蚀程度存在一定的影响,且随着氢氧化钠溶液含量的增大,这种影响作用也增大。

4、盐类中性腐蚀液的ATR光谱
    将样条浸泡在质量分数分别为5%,10%,15%,20% ,25%的60 0C氯化钠溶液72 h后,取出用蒸馏水洗净并干燥,测定ATR光谱,其结果如图6所示。
    由图6可知,氯化钠溶液浸泡后5个光谱中的特征峰基本一致,与未浸泡样条的ATR光谱相比,样条的主要特征峰以及各峰之间的比例关系基本不变,也未出现新的特征峰,说明在60℃下经氯化钠溶液浸泡72 h后聚丙烯衬里的官能团、化学成分没有发生改变,其表面也没有生成新的物质。

5、氧化性腐蚀液的ATR光谱
    将样条浸泡在质量分数分别为1% ,2% ,3% ,4% ,5%的60℃的酸性高锰酸钾溶液72 h后,取出用蒸馏水洗净并干燥,测定ATR光谱,其结果如图7所示。

    由图7可知,与未浸泡样条相比,经过酸性高锰酸钾溶液浸泡后5个光谱出现了的碳基吸收峰,而且强度还较大,这可能是酸性高锰酸钾的强氧化作用,导致聚丙烯衬里的表面发生了氧化作用,生成了碳基。
    图8为不同含量高锰酸钾溶液浸泡后样条的碳基特征峰的吸光度与相应内标峰吸光度的比随酸性高锰酸钾溶液含量的变化。

    由图8可知,经过酸性高锰酸钾溶液浸泡过的样条,其碳基特征峰的吸光度与内标峰吸光度之比随着高锰酸钾含量的增加呈上升趋势,由此说明样条被氧化程度随着酸性高锰酸钾溶液含量的增加而士曾力口。

    将聚丙烯涂塑钢管上截取下来的样条分别放在不同含量的硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和酸性高锰酸钾溶液浸泡处理,并与用蒸馏水浸泡对比,对处理后的样条进行ATR光谱分析。结果表明,蒸馏水浸泡前后,聚丙烯衬里的ATR光谱没有变化,即蒸馏水对聚丙烯衬里完全没有侵蚀作用;硫酸溶液和氢氧化钠溶液浸泡后的样条ATR光谱发生微小的变化,即硫酸溶液和氢氧化钠溶液对聚丙烯衬里有微小的侵蚀作用;氯化钠溶液浸泡后的样条ATR光谱基本没有变化,即氯化钠溶液对聚丙烯衬里没有侵蚀作用;酸性高锰酸钾溶液浸泡后的样条ATR光谱发生了较明显的变化,即酸性高锰酸钾溶液对聚丙烯衬里有较强的侵蚀作用。因此,使用聚丙烯衬塑复合钢管不宜长期输送具有氧化性液体,需要定期检查。