CN108037066A - 一种塑料耐液体性能规模化实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料耐液体性能规模化实验装置及方法，包括收纳槽和试管架，收纳槽具有腐蚀腔和恒温腔，腐蚀腔处于中间位置，恒温腔环绕腐蚀腔，腐蚀腔和恒温腔之间具有可传热的隔板，恒温腔内设有恒温系统和可以搅动水的循环系统，试管架安装到腐蚀腔内，试管架上具有若干组圆孔和试样管，试样管的上端设有试样管盖，试样管盖具有若干个穿孔，试样管的下端具有若干穿孔，各试样管盖的高度均低于腐蚀腔的高度，收纳槽的底部与试管架的下端之间设有搅拌装置。该方案能够同时展开多样条、多材料、恒温、多周期、流动状态的材料腐蚀试验，而且能耗低、操作简单、拓展方便。此发明用于塑料腐蚀实验装置领域。

Description

一种塑料耐液体性能规模化实验装置及方法

技术领域

本发明涉及塑料腐蚀实验装置领域，特别是涉及一种塑料耐液体性能规模化实验装置及方法。

背景技术

随着石油化学工业的快速发展，石油深加工技术日益完善，塑料制品种类日趋多样化、产量迅速增加。塑料管以其密度小、耐腐蚀、阻力小、易安装、造价低、节约能源的显著优势得到管道工程界的广泛应用。自20世纪50年代起，发达国家塑料管制造商与管道工程界进行了大量合作，促使塑料管在管道工程中占了重要地位，其材料也以塑料钢的趋势不断发展。我国自20世界60年代开始研制和使用塑料管，80年代塑料管开始在城镇燃气运输中应用。由于我国能源结构调整和清洁能源政策的实施以及城镇化建设的不断推进，天然气的使用量逐年增加，促使塑料燃气管道的应用量不断攀升。2014年我国塑料管道生产为1300万吨，较2013年行业整体增长为7.44％，塑料管道的市场占有率在所有材料管道中的比例为40～ 50％左右。近几年来，住房城乡建设行业一直是塑料管道的主要应用领域之一，每年塑料管道工程用量大约在300～400万吨，其中市政工程管道约占2/3，建筑工程管道约占1/3，塑料管道在住房城乡建设行业中的累积使用量达到4000万吨左右。

塑料作为一种耐腐蚀新型材料广泛应用于管道运输及耐腐蚀容器方面，但是塑料并非完全不会腐蚀。金属材料使用过程中的主要失效模式之一的腐蚀失效在塑料应用中同样存在，在复杂的环境及运输介质的共同作用，塑料管道和容器也会受介质的长期腐蚀破坏进而发生失效。塑料的腐蚀形态相对于金属材料有较大差异，金属中常见的腐蚀形态在非金属材料中几乎不存在。因此，塑料的腐蚀机理也相对简单。在材料和环境选择设计合理的条件下，塑料的腐蚀主要分为物理腐蚀和化学腐蚀两大类。

物理腐蚀是塑料管在介质中受到介质分子的作用使塑料部件表面分子松动，原理是介质分子直接接触的表面大分子逐渐松动离开塑料部件表面而进入介质，最终使塑料部件表面松动、厚度减小，这个过程由浅入深，塑料部件的强度逐渐降低，直至塑料部件失效。物理腐蚀过程一般可分为两个阶段进行。第一阶段：塑料在介质中受到介质温度或压力等因素的作用后，介质部分分子变得活跃并“攻击”塑料表面大分子间隙，使塑料的大分子链节松动，呈现塑料表面的溶胀。第二阶段:在介质分子的“攻击”下，塑料表面的大分子被迫“拉下”进入介质，完成腐蚀过程。物理腐蚀并非机械地使塑料表面大分子一层一层脱离塑料本身进入介质，还跟塑料的分子排列结构的有序性程度相关，同时也有可能伴随着化学腐蚀的过程。

化学腐蚀是在介质分子的作用下，塑料的高分子结构被破坏或起化学反应，生成其他物质进入介质而导致塑料制品的物理和化学性质及力学性能发生变化，比如强度降低、寿命减小甚至失效，化学腐蚀主要表现为失重、变色、氧化及分解。化学腐蚀最具代表性的是取代基反应，塑料材料分子结构中侧基官能团受活性介质作用发生氧化、硝化、氯化、磺化等取代反应导致材料耐腐蚀性能下降，材料的力学性能变差。另外塑料分子间交联反应也会导致材料脆化、硬化。

腐蚀失效作为塑料的一种重要失效模式，但其相关研究的基础数据较少，针对塑料件耐不同介质浸泡腐蚀的实验方法与实验装置不够完善。塑料浸泡腐蚀实验应用较为广泛的是 GB/T 11547-2008塑料-耐液体化学试剂性能的测定标准。此标准对塑料耐腐蚀浸泡实验所需试液类型与用量、浸泡时间与温度、试样类型、实验步骤以及实验前后试样的尺寸、质量与体积作了详细的规定，并且推荐了浸泡腐蚀实验的实验装置。

现有的实验装置包括具有刻度的毛细管和两个玻璃球形容器，两个玻璃球形容器分别处于毛细管的两端。使用时，其中一个玻璃球形容器内放入样品，另一个玻璃球容器内放入介质溶液；把实验装置竖直放置并读取此刻的竖直；倒置实验装置时介质溶液进入装有样品的玻璃球形容器，进行浸泡；过段时间之后重新竖立实验装置，记录下介质溶液的刻度变化。这个实验装置虽然能准确测出溶液变化，但也存在以下问题：(1)每个实验装置每次实验只能放置一个试样，不能满足同等实验条件下多个平行试样的实验要求；(2)不能满足多周期实验，若要多周期且多平行样浸泡实验则需要大量的类似装置，按照GB/T11547-2008标准要求，一次实验需要7个实验周期，一个周期需要5个平行样，需要35个此实验装置，如果要考察多种材料、多种液体介质的浸泡试验，导致整个试验系统非常庞大、不好控制和管理； (3)更换腐蚀介质较为麻烦；(4)中途取样过程繁琐，取样时存在较大的安全风险；(5)待试验液体处于静态，不能反映动态过程中对材料的侵蚀特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时展开多样条、多材料、恒温、多周期、流动状态的材料腐蚀试验，而且能耗低、操作简单、拓展方便的塑料耐液体性能规模化实验装置及方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种塑料耐液体性能规模化实验装置，包括收纳槽和试管架，收纳槽具有腐蚀腔和恒温腔，腐蚀腔处于中间位置，恒温腔环绕腐蚀腔，腐蚀腔和恒温腔之间具有可传热的隔板，恒温腔内设有恒温系统和可以搅动水的循环系统，试管架安装到腐蚀腔内，试管架上具有若干组圆孔和置于圆孔内的试样管，试样管的上端设有试样管盖，试样管盖具有若干个穿孔，试样管的下端具有若干穿孔，各试样管盖的高度均低于腐蚀腔的高度，收纳槽的底部与试管架的下端之间设有搅拌装置。

作为上述方案的改进，搅拌装置为搅拌叶片，收纳槽上设有支架，支架上设有电机，电机通过转轴连接到搅拌叶片。

作为上述方案的改进，试管架为圆筒形，试管架内部具有两个处于不同高度的挡板，若干试样管穿过上方的挡板后抵住下方的挡板实现固定，转轴穿过两挡板连接到搅拌叶片，试管架的下端侧壁上设有两个液体流动口，两液体流动口的间距大于90°。

作为上述方案的改进，恒温系统包括温度传感器和加热元件，温度传感器和加热元件均电连接有温控器，收纳槽的侧壁上设有托板架，循环系统包括循环水泵、循环进水管和循环出水管，循环进水管和循环出水管从循环水泵延伸出，循环进水管和循环出水管的一端分别处于恒温腔内不同的位置，循环水泵和温控器均放置在托板架上。

作为上述方案的改进，收纳槽包括均为圆桶状的恒温槽和腐蚀槽，腐蚀槽的直径小于恒温槽使得腐蚀槽能够放入恒温槽内，恒温槽的高度低于腐蚀槽。

一种塑料耐液体性能规模化实验方法，使用上述实验装置，包括以下步骤：

a、按试验要求制作、标记多组试样和试样管，然后试样放入试样管，最后盖上试样管盖并把试样管放入试管架；

b、把待测腐蚀液体介质和试样架放入腐蚀腔中，把恒温液体加到恒温腔内；

c、调节循环水泵、温度传感器和电机的工作状态，按要求取样直到试验结束。

作为上述方案的改进，步骤c中可分别开启或停止电机，实现考察待测腐蚀液体介质对样品的影响。

作为上述方案的改进，步骤c中可中途多次停止电机完成中途取样，并及时清理样品，最后进行材料性能测试，如此实现多周期试验要求。

本发明的有益效果：此塑料耐液体性能规模化实验装置及方法能为新材料研究和应用开发提供方便，试管架可以放置多个试样管，待测腐蚀溶液介质流进若干试样管内，恒温腔环绕腐蚀腔可以使待测腐蚀溶液介质保持恒温，搅拌装置的启停可以影响待测腐蚀溶液介质的流动状态，该实验装置不仅体积小，而且包含多种控制结构，能充分利用控制变量法进行试验；在此基础上本申请方案可同时考察不同材料的液体浸泡腐蚀试验方法，考察温度、待测腐蚀溶液介质、时间和流动状态对材料性能变化的影响，这对新材料开发、工程塑料设备开发非常重要。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是实验装置的立体图；

图2是试管架部位的示意图；

图3是实验装置的剖视图；

图4是实验装置的俯视图。

具体实施方式

参照图1～4，本发明为一种塑料耐液体性能规模化实验装置，包括收纳槽和试管架3，收纳槽具有腐蚀腔和恒温腔，腐蚀腔处于中间位置，恒温腔环绕腐蚀腔，腐蚀腔和恒温腔之间具有可传热的隔板，本实施例中，收纳槽包括均为圆桶状的恒温槽1和腐蚀槽2，腐蚀槽2 的直径小于恒温槽1使得腐蚀槽2能够放入恒温槽1内，恒温槽1的高度低于腐蚀槽2使得恒温槽1内的水不会意外流道腐蚀槽2，腐蚀槽2的侧壁能导热即可。这种组合方式结构简单，相应地组装时也非常方便。

恒温腔内设有恒温系统52和可以搅动水的循环系统51。循环系统51包括循环水泵、循环进水管和循环出水管，循环进水管和循环出水管从循环水泵延伸出，循环进水管和循环出水管的一端分别处于恒温腔内不同的位置使水形成流动状态，使腐蚀腔四周的水温一致；比如说循环进水管处于恒温腔左侧的底端，循环出水管处于恒温腔右侧的上端。恒温系统52包括温度传感器和加热元件，温度传感器和加热元件均处于恒温腔内，温度传感器和加热元件均电连接有同一个温控器，温控器用于监控和调节水浴温度。整个恒温系统52和循环系统 51组成内循环，使实验装置相对独立于外界，避免外界的干扰能更好地控制变量。加热元件在这里用电热丝。

试管架3安装到腐蚀腔内，试管架3上具有若干组圆孔和置于圆孔内的试样管31，试样管31的上端设有试样管盖32，试样管盖32具有若干个穿孔，试样管31的下端具有若干穿孔，以便形成对流；各试样管盖32的高度均低于腐蚀腔的高度使得待测腐蚀液体介质能够轻松流入试样管31内。收纳槽的底部与试管架3的下端之间设有搅拌装置44，用于增加待测腐蚀液体介质的流动性。具体地，搅拌装置44为搅拌叶片，收纳槽上设有支架41，支架41上设有电机42，电机42通过转轴43连接到搅拌叶片；支架41为U形状，支架41的两端具有缺口，然后缺口便卡入连接到恒温槽1的侧壁。

作为优选的实施方式，试管架3为圆筒形，试管架3内部具有两个处于不同高度的挡板 33，本实施例在圆筒的内部设置不同直径的阶梯孔，两挡板33便是安放在不同高度的轴肩处，当然了，也可以把下方的挡板33和圆筒做成一个整体；这种结构方式也是使得实验装置制造方便。若干试样管31以转轴43为中心呈圆形阵列分布，若干试样管31穿过上方的挡板33 后抵住下方的挡板33实现固定。转轴43则是穿过两挡板33连接到搅拌叶片，同时转轴43 与下方的挡板33卡接，起到吊起搅拌装置44的作用。试管架3的下端侧壁上设有两个液体流动口34，两液体流动口34的间距大于90°；搅拌叶片旋转时将待测腐蚀液体介质抛向外周，待测腐蚀液体介质从液体流动口34流出再折返到试样管盖32的位置，如此构成待测腐蚀液体介质流动状态。

作为优选的实施方式，收纳槽的侧壁，即恒温槽1的侧壁，上设有托板架6，循环水泵和温控器均放置在该托板架6上。

一种塑料耐液体性能规模化实验方法，使用上述实验装置，包括以下步骤：

a、按试验要求制作、标记多组试样和试样管31，然后试样放入试样管31，最后盖上试样管盖32并把试样管31放入试管架3；

b、把待测腐蚀液体介质和试样架放入腐蚀腔中，把恒温液体加到恒温腔内；

c、调节循环水泵、温度传感器和电机42的工作状态，按要求取样直到试验结束。

步骤c中可分别开启或停止电机42，实现考察待测腐蚀液体介质对样品的影响。另一种试验方式是，步骤c中可中途多次停止电机42完成中途取样，并及时清理样品，最后进行材料性能测试，如此实现多周期试验要求。采用这种装置和方法后，试验效率能够大大地提高。本实施例可以设置有八个试样管31，由挡板33上的孔位数量来调整；一个试样管31内一次便可装入40个左右的样品。

此塑料耐液体性能规模化实验装置及方法能为新材料研究和应用开发提供方便，较传统方法大幅度提高了试验效率和均匀性。试管架3可以放置多个试样管31，待测腐蚀溶液介质流进若干试样管31内，恒温腔环绕腐蚀腔可以使待测腐蚀溶液介质保持恒温，搅拌装置44 的启停可以影响待测腐蚀溶液介质的流动状态，该实验装置不仅体积小，而且包含多种控制结构，能充分利用控制变量法进行试验；在此基础上本申请方案可同时考察不同材料的液体浸泡腐蚀试验方法，考察温度、待测腐蚀溶液介质、时间和流动状态对材料性能变化的影响，这对新材料开发、工程塑料设备开发非常重要。

当然，本设计创造并不局限于上述实施方式，上述各实施例不同特征的组合，也可以达到良好的效果。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种塑料耐液体性能规模化实验装置，其特征在于：包括收纳槽和试管架，所述收纳槽具有腐蚀腔和恒温腔，腐蚀腔处于中间位置，所述恒温腔环绕腐蚀腔，所述腐蚀腔和恒温腔之间具有可传热的隔板，所述恒温腔内设有恒温系统和可以搅动水的循环系统，所述试管架安装到腐蚀腔内，所述试管架上具有若干组圆孔和置于圆孔内的试样管，所述试样管的上端设有试样管盖，所述试样管盖具有若干个穿孔，所述试样管的下端具有若干穿孔，各所述试样管盖的高度均低于腐蚀腔的高度，所述收纳槽的底部与试管架的下端之间设有搅拌装置。

2.根据权利要求1所述的塑料耐液体性能规模化实验装置，其特征在于：所述搅拌装置为搅拌叶片，所述收纳槽上设有支架，所述支架上设有电机，所述电机通过转轴连接到搅拌叶片。

3.根据权利要求2所述的塑料耐液体性能规模化实验装置，其特征在于：所述试管架为圆筒形，所述试管架内部具有两个处于不同高度的挡板，若干试样管穿过上方的挡板后抵住下方的挡板实现固定，转轴穿过两挡板连接到搅拌叶片，所述试管架的下端侧壁上设有两个液体流动口，两所述液体流动口的间距大于90°。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的塑料耐液体性能规模化实验装置，其特征在于：所述恒温系统包括温度传感器和加热元件，所述温度传感器和加热元件均电连接有温控器，所述循环系统包括循环水泵、循环进水管和循环出水管，循环进水管和循环出水管从循环水泵延伸出，循环进水管和循环出水管的一端分别处于恒温腔内不同的位置，所述收纳槽的侧壁上设有托板架，所述循环水泵和温控器均放置在托板架上。

5.根据权利要求4所述的塑料耐液体性能规模化实验装置，其特征在于：所述收纳槽包括均为圆桶状的恒温槽和腐蚀槽，所述腐蚀槽的直径小于恒温槽使得腐蚀槽能够放入恒温槽内，所述恒温槽的高度低于腐蚀槽。

6.一种塑料耐液体性能规模化实验方法，使用权利要求1～5中任一项所述的实验装置，其特征在于包括以下步骤：

a、按试验要求制作、标记多组试样和试样管，然后试样放入试样管，最后盖上试样管盖并把试样管放入试管架；

b、把待测腐蚀液体介质和试样架放入腐蚀腔中，把恒温液体加到恒温腔内；

c、调节循环水泵、温度传感器和电机的工作状态，按要求取样直到试验结束。

7.根据权利要求6所述的塑料耐液体性能规模化实验方法，其特征在于：步骤c中可分别开启或停止电机，实现考察待测腐蚀液体介质对样品的影响。

8.根据权利要求6所述的塑料耐液体性能规模化实验方法，其特征在于：步骤c中可中途多次停止电机完成中途取样，相应地清理样品，最后进行材料性能测试，如此实现多周期试验要求。