摘  要：本文通過耐堿溶液腐蝕復合材料試樣的靜態浸泡試驗和動態模擬試驗，用質量指數法來評判材料的耐堿腐蝕等級，提出適合耐堿溶液腐蝕復合材料的佳方案。
1  前 言
    耐堿腐蝕復合材料的研究對我國的石油開采、輸送、貯存等重要工業環節的開發和發展有著重大的指導意義。高分子復合材料不同于金屬材料，不發生電化等腐蝕。同時，一般金屬材料腐蝕多在其表面上開始發生，然后逐步向深處發展。而高分子復合材料的腐蝕一方面腐蝕介質會向材料內部進行擴散滲透，另一方面材料的某些組分也會從材料內部向外擴散和遷移，后溶解在介質中，其腐蝕主要是由于物理、化學、生物作用引起的。本文通過分析復合材料試樣在堿溶液介質條件腐蝕前后外觀、尺寸、重量、硬度、固化度、含膠量、彎曲強度等變化進行復合材料耐堿溶液腐蝕性能的研究。
2  研究路線及方法
    本文研究分以下幾個步驟進行：1、堿溶液的配制；2、試驗用原材料的篩選確定；3、復合材料試件的設計制作；4、靜態浸泡試驗及結果分析；5、動態模擬試驗及結果分析。按照上述的研究路線，配制了標準堿溶液(其中堿濃度1%)，同時為對比試驗，另外配制了濃度分別為10%和30%的堿溶液。
    根據其耐腐蝕特性、工藝特性等對復合材料用的基體材料進行了優化篩選，終選取了一種通用型乙烯基酯樹脂(1#和3#試樣)，一種雙酚A型乙烯基酯樹脂(2#試樣)和一種熱塑性塑料(4#試樣)作為本文的試驗用基體材料，采用不同的鋪層設計，按照相關標準，制備了4種試樣，完成了為期一年的六個期齡的靜態浸泡實驗和動態模擬試驗。
    根據不同材料、不同堿濃度及期齡，繪制了彎曲強度及巴氏硬度變化率曲線圖，以便更直觀地分析結果。
3  研究過程及結果分析
3.1  靜態浸泡試驗
3.1.1  試樣外觀的變化
    按照國標GB11547-89及GB3857-87的要求，在浸泡24小時、15天、30天、90天、180天及360天對浸泡的試樣進行了觀察，并作相應的記錄。同時，將原始試樣和浸泡一年的試樣進行了對比拍照。
    從終外觀結果來看，各試樣在堿溶液中，隨期齡的增長，試樣的顏色均有不同程度的加深，其中以10%堿濃度的試樣明顯，因此以此為參照比較終結果。四種材料以PVC材料變化小，除顏色略有加深外，幾乎無變化；其余的三組試樣中，以2號試樣變化小，1號試樣次之、3號試樣較顯著。
3.1.2  介質外觀的變化
    30%堿濃度的堿溶液表面有明顯結晶出現，10%濃度的稍有結晶現象出現，1%濃度的無結晶現象，浸泡器皿底部偶見白色沉淀。
3.1.3  試樣尺寸的變化
    以上4組試樣在3種濃度和6個期齡下，試樣尺寸在測量誤差范圍，均無變化。[-page-]
3.1.4  試樣重量的變化
    按照國標GB11547-89及GB3857-87的要求，在規定的時間內測得不同期齡重量變化率(表1)。
    
    
    從表1可以看出，數據隨濃度及期齡變化無規律，呈高散狀態，且全部的失重百分比在0.5%以內，說明材料的滲透、析出無明顯變化。橫向比較4種試樣失重率。可以看出1號試樣變化幅度相對大，4號試樣相對少。說明1號試樣的滲透和析出現象較明顯，而4號試樣相對穩定(PVC)，因1號試樣與3號試樣樹脂體系相同，鋪層有別，可以得出3號試樣結構較1號試樣穩定，而2號試樣樹脂較好。[-page-]
3.1.5  試樣硬度的變化
    因4號試樣為PVC，其硬度暫不作為判斷參加比較。按照國標GB3854-83要求，按不同期齡及堿濃度對1號、2號、3號試樣巴氏硬度進行了測試，各組試樣巴氏硬度變化率見圖1、2、3。
    
    
    
    分析圖1、2、3在不同濃度的堿溶液中，試樣巴氏硬度 隨期齡變化率數據的離散性與復合材料的性能及測量方法有關，就其微觀表面而方，其為玻璃纖維與樹脂的混合體，而玻璃纖維的硬度遠遠大于樹脂的硬度，除非表面腐蝕達到相當程度，樹脂流失，纖維有明顯架空，其硬度變化方有體現。因此在材料表面光澤尚未損失情況下，硬度數據不足以體現目前材料性能細數的變化，說明腐蝕程度非常小。[-page-]
3.1.6  試樣固化度的變化
    按照國標GB2576-89，對上述4組試樣中，3種復合材料試件進行了固化度隨濃度及期齡變化測試，試驗結果見表2。
    
    由表2可以看出，即使在腐蝕溶液中，樹脂體系的固化度隨著期齡的增加而增加，而介質的濃度對固化度無明顯影響，固化度是基體高分子材料交聯程度的表征，從固化度可以看出，試樣的基體材料在一年期齡的腐蝕狀態下其交聯結構未受到破壞。[-page-]
3.1.7  試樣含膠量變化
    按照GB2571-89要求，對1、2、3號試樣的含膠量隨不同期齡及濃度進行了檢測，具體數據見表3。
    
    試樣數據中含膠量的變化呈無規律離散狀態，且變化幅度在一定的范圍內。說明樹脂的溶解析出并不明顯，材料的性質相對穩定，總體上看，1號試樣樹脂含量偏低，而3號試樣偏高，3號試樣居中，這是由于不同鋪層造成的樹脂含量差別。
3.1.8  試樣彎曲強度的變化[-page-] 
    按照GB1449-83及GB1042-83規定，對上述3組復合材料及熱塑性塑料PVC進行了彎曲強度隨不同期齡及濃度的變化進行了測試。彎曲強度變化率如圖4~6；
    
    
    
    通過4、5、6分析不同濃度的堿溶液浸泡，材料彎曲強度隨期齡變化率實驗看出數據離散大，但基本在30%以內變化，且正的強度變化率較多，而腐蝕作用的結果一般都是隨期齡的增加而降低，這里也有固化度增高的復合效應，結合表現狀態比較可得出以下結論：不同濃度堿溶液對4組材料的腐蝕，尚未導致材料力學性能的下降，數據的離散性恰恰說明了這一點，其原因主要是由于制作試樣時試樣中樹脂含量不均造成局域差別和試樣的測量誤差。[-page-]
3.2  動態試驗
    為模擬實際工況，我們用動態縮化試驗罐進行了現場模擬實驗，與靜態試驗的差別是在動態試驗中加入了溶液攪拌對內壁的沖刷，以及由于內外壁壓力不同產生的滲透壓會加劇堿溶液對材料的腐蝕作用。因此在動態試驗中我們更關心的是材料的狀態和力學性能損失程度。
    從實際測試的結果來看，各罐的內壁顏色均有不同程度的加深，未出現裸纖，裂紋，鼓泡等腐蝕跡象，試驗前后動態比模擬罐固化度及含膠量、彎曲強度等各項指標與靜態相比，差別不大，同時與靜態的結論基本吻合，均能滿足實際動態工況要求。
3.3  測試數據總結
    以質量指數法來評判材料的耐腐蝕等級，該方法是一種比較直觀、量化的評判方法。質量指數(QI)按以下公式進行計算：
    QI=(A+B+C+D)/4
    QI=9-10者，耐蝕性優
    QI=7-9者，耐蝕性良
    QI=5-7者，耐蝕性可以
    QI≤5者，為不耐蝕
    各組試樣在不同濃度的堿溶液中的耐腐蝕質量指數見表4。
   
    結論：從表4可以看出各組試樣的耐腐等級均在良以上，其中以4#全優為耐腐蝕性佳。
4  結 論
4.1  本文所選4種復合材料試樣在堿溶液介質中的耐腐蝕質量指數在7.8~10之間，可以滿足耐堿溶液腐蝕要求。
4.2  所選的試樣中，2號試樣和1、3號試樣其原材料均為液體基體，其粘度為400-500mPa?s(25℃)和450±100mPa?s(25℃)適合樹脂基復合材料的纖維纏繞工藝及內襯鋪層操作，工藝性好，其中2號試樣基體樹脂價格比1號試樣低15%左右；PVC材料耐堿溶液腐蝕性能好，但工藝性較差。
4.3  所選用的4組材料均有較好的力學性能(具體性能略)， 可以滿足油田三元復合注采工藝的要求。