Độ bền hóa học của vật liệu là khả năng giữ nguyên thành phần, cấu trúc và cơ tính khi tiếp xúc với oxy, nước, axit, kiềm hoặc dung môi theo thời gian và nhiệt độ. Vật liệu kém bền bị ăn mòn, trương nở, hòa tan hoặc giòn hóa, và van hoặc đường ống làm từ nó sẽ rò rỉ. Bảng tương thích 12 môi chất với 11 vật liệu ở cuối bài dùng để sàng lọc nhanh; muốn chốt phương án cho từng môi chất, xem thêm cách chọn vật liệu van.
Mục lục
Độ bền hóa học của vật liệu là gì?
Đó là mức độ vật liệu chống lại phản ứng hóa học với môi trường làm việc. Độ bền hóa học không phải thuộc tính cố định: một vật liệu có thể bền trong chất này, hỏng nhanh trong chất khác, hoặc bền ở 20°C nhưng hỏng ở 80°C. Vì vậy mọi đánh giá phải đi kèm môi chất, nồng độ và nhiệt độ.
Xét độ bền hóa học, vật liệu kỹ thuật chia thành bốn nhóm: kim loại và hợp kim, polyme (nhựa và cao su), gốm và thủy tinh, composite.
Các dạng phá hủy hóa học
Kim loại và polyme mất độ bền hóa học theo cơ chế khác nhau. Khái niệm chung được mô tả ở mục ăn mòn trên Wikipedia.
Ăn mòn điện hóa (kim loại)
Kim loại bị ăn mòn khi trên bề mặt hình thành vùng anot, nơi kim loại nhường electron (Fe → Fe²⁺ + 2e⁻), và vùng catot, nơi oxy hoặc ion H⁺ nhận electron, với nước hoặc dung dịch muối làm chất điện ly. Tùy vị trí hai vùng này, ăn mòn có các dạng sau:
- Ăn mòn đều và ăn mòn rỗ: đều thì bề mặt mỏng dần; rỗ thì Cl⁻ phá màng thụ động tại điểm yếu, gây thủng cục bộ.
- Ăn mòn kẽ: ở khe hẹp như dưới gioăng, ren, nơi nước đọng và thiếu oxy.
- Ăn mòn liên hạt: crom kết tủa thành cacbua ở biên hạt sau khi hàn, làm biên hạt mất khả năng chống gỉ.
- Ăn mòn điện hóa (galvanic): hai kim loại khác điện thế nối với nhau trong dung dịch, kim loại kém quý bị ăn mòn.
- Nứt ăn mòn ứng suất: ứng suất kéo kết hợp môi chất đặc hiệu, ví dụ amoniac với đồng thau, Cl⁻ nóng với inox austenit.
Oxy hóa nhiệt độ cao
Ở nhiệt độ cao, độ bền hóa học của kim loại giảm vì kim loại phản ứng trực tiếp với oxy trong không khí hoặc khí thải, tạo lớp oxit. Với thép cacbon, lớp vảy sắt xốp, giòn và bong ra, nên kim loại mỏng dần liên tục. Với inox, lớp Cr₂O₃ đặc và bám chắc nên chậm hơn nhiều; inox 304 thường chịu oxy hóa đến khoảng 870°C khi làm việc gián đoạn (tham khảo, đối chiếu tiêu chuẩn vật liệu).
Trương nở, hòa tan (polyme)
Polyme không bị ăn mòn điện hóa; độ bền hóa học của polyme bị quyết định bởi phá hủy vật lý – hóa học. Khi môi chất có độ phân cực gần với polyme (nguyên tắc giống tan trong giống), phân tử môi chất chui vào giữa các mạch, làm polyme trương nở, mềm đi và có thể tan hoàn toàn. Ví dụ EPDM không phân cực nên trương nở trong dầu khoáng; PVC tan trong xeton. Axit hoặc chất oxy hóa mạnh có thể cắt mạch polyme, làm vật liệu giòn và nứt.
Lão hóa UV, ozone
Tia UV và ozone tấn công liên kết đôi C=C trong mạch chính của cao su như NBR và cao su thiên nhiên, tạo vết nứt vuông góc với hướng kéo. EPDM có mạch chính bão hòa nên bền ozone và UV hơn.
Yếu tố ảnh hưởng
Cùng một vật liệu, độ bền hóa học thay đổi theo bảy yếu tố sau:
- Nồng độ: axit đặc có thể thụ động kim loại mà axit loãng thì không.
- Nhiệt độ: tốc độ phản ứng thường tăng khoảng gấp đôi sau mỗi 10°C (quy tắc kinh nghiệm), nên vật liệu bền ở 20°C có thể hỏng ở 60°C.
- pH: thép cacbon ổn định trong môi trường kiềm, gỉ nhanh khi pH thấp.
- Oxy hòa tan: thúc đẩy phản ứng catot, nhưng cũng cần để inox tái tạo màng thụ động.
- Ion Cl⁻: phá màng thụ động, là nguyên nhân chính của ăn mòn rỗ và ăn mòn kẽ trên inox.
- Tốc độ dòng chảy: dòng quá nhanh gây xói mòn – ăn mòn; nước đọng gây ăn mòn kẽ.
- Ứng suất: ứng suất kéo cộng môi chất đặc hiệu gây nứt.
Kim loại
Về độ bền hóa học, gang và thép cacbon dễ gỉ vì sắt tạo oxit xốp, không bám, nên không ngăn được ăn mòn tiếp tục. Hai vật liệu này bền trong kiềm vì ở pH cao bề mặt thép được thụ động, và kém trong axit và nước biển. Inox không chịu mọi axit: nó bền nhất với axit oxy hóa như HNO₃, nơi axit giúp tăng độ dày màng Cr₂O₃, và với nhiều axit hữu cơ loãng. Với axit không oxy hóa như HCl, màng bị Cl⁻ phá nên inox 304 và 316 đều bị ăn mòn.
Inox 316 có độ bền hóa học cao hơn 304 nhờ 2–3% Mo, làm màng thụ động bền hơn và tái thụ động nhanh hơn, nhưng vẫn không dùng được cho HCl nồng độ cao. Đồng và đồng thau bền trong nước, nhưng bị amoniac gây nứt ứng suất, bị axit oxy hóa như HNO₃ hòa tan và bị H₂S làm đen, ăn mòn.
Nhựa
Nhựa có độ bền hóa học cao với nhiều axit và muối vì liên kết C–C, C–Cl, C–F không có electron tự do để tham gia phản ứng điện hóa. Điểm yếu là dung môi hữu cơ và nhiệt độ. uPVC bền với axit, kiềm loãng và muối ở dưới 60°C, nhưng tan trong xeton. CPVC nhiều clo hơn nên nhiệt độ hóa mềm cao hơn và chịu hypoclorit tốt hơn. PP bền với kiềm và nhiều dung môi, kém chất oxy hóa mạnh. PVDF chịu axit mạnh và halogen, kém với kiềm mạnh nóng và xeton; phần so sánh nhựa uPVC CPVC có giới hạn nhiệt độ chi tiết.
PTFE có độ bền hóa học rất cao vì là polyme flo hóa hoàn toàn: liên kết C–F rất bền và lớp flo bao kín mạch cacbon nên gần như trơ với mọi hóa chất ở nhiệt độ làm việc. Bài Teflon là gì trình bày kỹ hơn về vật liệu này. Mọi giới hạn nhiệt độ của nhựa là tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng.
Cao su
Cao su làm gioăng nên độ bền hóa học và đàn hồi phải đi cùng nhau. EPDM bền nước nóng, hơi áp thấp, kiềm, axit loãng, nhưng không dùng cho dầu vì mạch không phân cực hấp thụ hydrocacbon và trương nở. NBR chịu dầu khoáng và nhiên liệu nhờ nhóm nitrile phân cực nhưng không chịu ozone. FKM chịu dầu nóng, dung môi thơm và nhiều axit, nhưng kém với xeton, amin và hơi nước. Phần cao su NBR và Viton so sánh chi tiết ba loại này cho gioăng van.
Gốm, thủy tinh và composite
Gốm kỹ thuật như alumina có độ bền hóa học cao vì là oxit đã ở trạng thái oxy hóa cao nhất, nên rất trơ với axit, kiềm và dung môi; nhược điểm là giòn. Thủy tinh bền với hầu hết axit, nhưng bị HF và kiềm đặc nóng hòa tan vì SiO₂ phản ứng với hai chất này.
Composite là vật liệu từ hai pha trở lên, phổ biến là nhựa polyester hoặc vinyl ester gia cường sợi thủy tinh (FRP). Độ bền hóa học của composite do nhựa nền quyết định, còn sợi thủy tinh tiếp xúc axit sẽ bị tấn công nên lớp lót giàu nhựa ở mặt tiếp xúc môi chất phải đủ dày. Khi dùng FRP cho hóa chất, cần hỏi hãng loại nhựa nền.
Bảng tương thích hóa chất
Bảng dưới tổng hợp độ bền hóa học (mức tương thích) của 11 vật liệu với 12 môi chất ở 20°C. Ký hiệu: A là tốt, B là khá, C là hạn chế, D là không dùng. Đây là giá trị tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng; nhiệt độ cao hơn làm giảm cấp. Dòng hơi bão hòa tính đến 150°C.
| Môi chất | Gang, thép | 304 | 316 | Đồng thau | uPVC | PP | PVDF | PTFE | EPDM | NBR | FKM |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nước sạch | B | A | A | A | A | A | A | A | A | A | A |
| Nước biển | C | D | C | C | A | A | A | A | A | A | A |
| Hơi bão hòa đến 150°C | A | A | A | B | D | D | D | B | B | D | D |
| HCl 10% | D | D | D | D | A | A | A | A | B | C | A |
| H₂SO₄ 10% | D | C | B | D | A | A | A | A | A | C | A |
| HNO₃ 10% | D | A | A | D | B | B | A | A | C | D | A |
| NaOH 20% | B | A | A | C | A | A | C | A | A | B | C |
| NaOCl đến 12% | D | D | C | D | B | C | A | A | B | D | A |
| Dầu khoáng, diesel | A | A | A | A | B | C | A | A | D | A | A |
| Xăng | A | A | A | A | C | C | A | A | D | B | A |
| Axeton | A | A | A | A | D | B | D | A | A | D | D |
| Amoniac | A | A | A | D | B | A | B | A | A | B | D |
Ví dụ cách đọc bảng độ bền hóa học: dòng HCl 10% cho thấy mọi kim loại đều là D, trùng với cơ chế Cl⁻ phá màng thụ động; dòng dầu khoáng cho thấy EPDM là D còn NBR và FKM là A.
Cách dùng bảng tương thích khi chọn van
Khi đánh giá độ bền hóa học của vật liệu cho một van, tra từng chi tiết chứ không tra riêng thân van. Quy trình:
- Liệt kê môi chất, nồng độ, nhiệt độ thấp nhất và cao nhất.
- Tra bảng cho cả bốn nhóm chi tiết: thân, chi tiết đóng mở, trục, gioăng hoặc seat.
- Lấy vật liệu có mức thấp nhất làm mức của cả van. Thân inox 316 mức B với seat NBR mức D thì cả van là D.
- Giảm một cấp khi nhiệt độ làm việc cao hơn 20°C đáng kể hoặc môi chất là hỗn hợp.
- Khi nghi ngờ, ngâm mẫu vật liệu trong môi chất thật (phương pháp tham khảo ASTM D543 cho nhựa, ASTM D471 cho cao su) và hỏi hãng.
Với dây chuyền hóa chất, thông tin cần gửi cho nhà cung cấp gồm tên và nồng độ hóa chất, nhiệt độ, áp suất; xem thêm phần van ngành hóa chất về các loại van thường dùng.
Xem thêm: van bi nhựa uPVC và van bi inox.
Viva cung cấp van và phụ kiện đường ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Gửi môi chất và nhiệt độ làm việc để được tư vấn vật liệu van phù hợp:
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp
Vật liệu nào kháng hóa chất tốt nhất?
Không có vật liệu tốt nhất cho mọi hóa chất. PTFE trơ với gần như mọi hóa chất ở nhiệt độ làm việc, nhưng không đàn hồi và giới hạn nhiệt độ khoảng 260°C. PVDF chịu axit mạnh và halogen, kém kiềm mạnh nóng. Mỗi môi chất, nồng độ và nhiệt độ cần tra bảng tương thích riêng.
Inox có chịu được axit không?
Chỉ với một số axit. Inox 304 và 316 chịu tốt axit oxy hóa như HNO₃ loãng đến trung bình, vì axit làm dày màng Cr₂O₃. Với HCl và H₂SO₄ nồng độ trung bình, inox bị ăn mòn, nhất là khi nóng; 316 hơn 304 nhờ Mo. Với các axit này nên dùng nhựa hoặc PTFE.
