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一种重防腐蚀环氧粉末涂料的制备,中网信息,ChinaNews360.com
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一种重防腐蚀环氧粉末涂料的制备
2020年10月23日    阅读量:    新闻来源:中网信息 ChinaNews360.com  |  投稿

秦瑞、肖蕊丽

兰州理工大学技术工程学院

甘肃环通工程检测有限公司


摘要:粉末涂料应用前景广阔,为提高其重防腐蚀性能,研制了一种满足重防腐蚀保护要求的快速固化环氧粉末涂料,讨论了基料树脂的选择、固化剂型号及用量对涂膜性能的影响;确定了颜填料、流平剂和固化促进剂等助剂的选用对象,获得了该涂料的优选配方,并对优选配方涂料的性能进行了测试。结果显示:涂料绿色环保无污染,涂层具有优良的抗化学品性、耐溶剂、优异的力学性能及良好的附着力,施工工艺简单,不需要底漆可一次厚涂,快速固化有利于流水线作业,具有较广的应用前景。


前言

环氧粉末防腐蚀涂料最早起源于美国20世纪60年代,在输运水、化工及油气管道方面得到广泛应用涂料在线coatingol.com。我国近十几年才开发和应用该项技术,随着石油、天然气和化工等工业的不断发展,对管道防腐蚀的要求越来越高,一些传统的溶剂型、高挥发性有机化合物(VOC)含量的防腐蚀涂料已不适应当前的防腐蚀要求,特别是重腐蚀环境下安全等级较高的埋地石油天然气管道。

重防腐蚀涂料常用的树脂是环氧树脂、聚氨酯和氯磺化类树脂等。重防腐蚀涂料发展的关键是高性能的合成树脂,为达到严酷环境下长效的目的,对主要成膜物质合成树脂的要求是:具有良好的附着力和较好的物理力学性能如低收缩力、高硬度、较好韧性、耐磨性、耐温性等;对各类介质(化工气体、酸、碱、盐和其他溶剂)有较好的耐蚀性,能有效地抵制各种介质对涂层的渗透;能在各种条件下进行方便的施工并达到对涂层厚度和涂层结构的设计要求。

环氧树脂具有优良的附着力和低收缩率、良好的耐蚀性和抗渗透性等性能,可被较多固化剂固化,具有良好的成膜性能,逐步成为目前应用数量最多、范围最广的重防腐蚀涂料成膜物质。而环氧粉末涂料是一种接近100%固体组分的“绿色涂料”,不含溶剂,满足目前环保绿色的要求。粉末涂料以其安全高效、无污染等特点在重防腐蚀领域得到了快速推广应用。

国家环保部发布的《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》中要求七大重点行业所有企业均应实施VOC综合治理,给粉末涂料带来了新的机遇。粉末涂料应用方向为集装箱、船舶、铁路、能源、石化、发电等领域,重防腐蚀涂料在这些项目中应用量已超过300万吨,发展前景最为可观。在船舶、桥梁、钢构等一些重防腐蚀涂料应用领域,溶剂型涂料仍是主流,水性涂料难以完全替代溶剂型涂料,粉末涂料有望在绿色涂装趋势下占有更大的市场份额。但粉末涂料目前尚存在一些问题:生产过程中的粉尘和噪音污染;粉末涂料的高温固化条件使其在节能上处于劣势;在非金属底材上应用较少;特大型金属件(如钢结构、集装箱等)或形状极为复杂的金属件难以实现粉末涂装;粉末涂料行业大量使用铅铬黄等重金属颜料,对人体可能造成伤害或潜在危险。

本工作研制了环氧粉末类快速固化重防腐蚀涂料,能用于较恶劣腐蚀环境条件下的重腐蚀防护,并对其理化性能进行了表征。


试验

1.1 涂料制备工艺流程

重防腐蚀环氧粉末涂料的制造方法与传统液体涂料的制备完全不同,必须使用专用设备。图1为粉末涂料生产工艺流程。

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环氧粉末防腐蚀涂料的制备具体工艺流程包括预混合阶段、熔融挤出阶段、粉碎阶段及过筛阶段。制备过程中,先准确称量配方中的树脂、固化剂、颜填料和助剂等成分,充分混合均匀。经预混合的物料,经过加料器输送到熔融挤出混合机,使各成分在一定温度条件下熔融混炼并均匀分散。挤出机挤出后冷却压片破碎,分级筛分,制成产品。

制备该涂料的主要技术难点:一是筛选合适的树脂、颜填料及固化剂等,满足所制备涂料提供良好的防腐蚀性能;二是该涂料要求厚涂层一次喷涂成型,为防止流挂,要求涂料具有较低的熔融流动性,使得流平剂等各种助剂的配合使用非常重要。环氧粉末涂料主要由基料树脂、固化剂、颜填料及助剂组成,根据所制备的涂料涂层的性能,优选了基料树脂类型、固化剂类型和用量,以及颜填料和助剂的种类及用量,并对最优涂层进行了性能表征。

1.2 涂料性能检测

(1)外观目测环氧粉末涂料,观察涂料的色泽是否均匀、是否结块等。

(2)胶化时间、固化时间、低温冲击性(-30℃)、抗弯曲性、耐磨性、附着力、耐化学腐蚀性参照SY/T0315-2013测定。

(3)固体分含量(100℃)%参照GB/T6554测定。

(4)体积电阻率参照GB/T1410测定。

(5)柔韧性参照GB/T1731-1993测定。

(6)耐盐雾性能参照GB/T1771-1991测定。


结果与讨论


2.1 涂料配方优选

2.1.1 基料树脂的选择

环氧树脂包括双酚A型和脂环族等类型。双酚A型环氧树脂具有高极性的环氧基和羟基,一旦加入固化剂交联,形成不溶、不熔的三维网状结构,形成的涂膜具有交联度高、硬度高、耐磨性好、防腐蚀效果好等特点。因此在涂料配方设计中,较多选用双酚A型环氧树脂为主要成膜物质,其结构见图2。由于分子中含有稳定的苯环和醚键,分子结构较紧密,因此耐化学介质性较好,基本能长期满足大多腐蚀环境的需要。另外环氧树脂涂料的耐腐蚀性能可以通过各种固化交联方式进行改进。

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表1是粉末涂料用不同型号双酚A型环氧树脂的技术测试指标。表2是不同型号环氧树脂制成粉末涂料涂层的防腐蚀性能检测情况。根据表1中软化点、环氧值的范围等,最终确定环氧树脂3为基料树脂,其外观明显比普通环氧树脂好(无色透明)。表2显示:环氧树脂3制成的粉末涂料涂层的防腐蚀耐化学性能最优。因该涂料为厚涂型,要求一次喷涂固化成型,因此对涂膜的厚膜防流挂性提出要求,这就要求涂料具有较低的熔融流动性。环氧树脂3具有较高的软化点和较窄的分子量分布,分子结构较为规整,这就使得该树脂在高温固化时具有较低的熔融流动性,不易产生流挂现象,垂立板面较为平整。故选取环氧树脂3作为基料树脂。

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2.1.2 固化剂的选择

环氧粉末涂料的使用性能不仅取决于它在介质中的化学稳定性以及附着力,还取决于其固化所获得的网状交联结构。只有获得致密的交联结构,才能有效防止涂料在外部介质中溶胀及渗透。因而,选用合适的固化剂对控制涂膜质量具有重要意义。

环氧粉末涂料常用固化剂品种很多,如胺类、酸酐类、咪唑类、咪唑啉、环咪、酚羟基树脂、酚醛树脂、聚酯树脂和丙烯酸树脂等。其中,酚羟基树脂是环氧粉末涂料常用重要固化剂,主要应用于重防腐蚀和电绝缘领域。这种固化剂是低分子量的环氧树脂与双酚A在碱催化下,经过加成反应得到的酚羟端基的产物,无小分子产生。该固化剂无毒,生产和使用安全卫生;固化后涂料胶化时间短,固化时间快,所形成的涂膜硬度高、韧性好、耐磨、耐弯曲、耐冷热冲击性能好、附着力好。使用该类固化剂具有常规环氧树脂用双氰胺类固化剂所不能比拟的优越性能。其结构中含有大量羟基基团,使得整体涂膜在固化后具有优异的附着力;使得最后形成的涂膜具有极其优异的防腐蚀性能。

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表3是所选用重防腐蚀环氧粉末涂料专用固化剂技术指标。表4是不同型号酚羟基树脂固化剂与环氧树脂(基料树脂选择表1中环氧树脂3)制成环氧粉末的涂层性能指标。经过试验论证,最后选取固化剂2搭配环氧树脂作为涂层的主要成膜物质。表5是选用不同固化剂用量对涂料性能的影响(基料树脂选择表1中环氧树脂3)。

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从表5可以看出:不同的固化剂用量对涂层性能影响较大。固化剂用量过少,树脂固化不完全(甚至不固化),涂层交联密度较低,会影响涂层的外观和力学性能,使涂层强度降低;固化剂用量过多时,树脂与固化剂反应加速,交联程度过大造成涂层发脆,影响冲击性能和耐腐蚀性能。只有采用适当的比例才能得到性能优异的涂层。由表5可以看出,当固化剂和树脂的质量比为1∶5时,涂层的各项性能最优,性能最佳。

2.1.3 颜填料及助剂的选择

(1)颜料的选择因为粉末涂料加热固化成膜的特殊性,只有部分颜料适用于粉末涂料。筛选出钛白、炭黑、酞菁绿、铁红、铬黄等作为重防腐蚀环氧粉末涂料用颜料。其中,钛白遮盖力好,且价格适中;炭黑、酞菁绿具有很好的耐高温性能,200℃固化时,不会出现失光、变色;铁红则具有遮盖力强、牢度高的特点。同时还可添加部分防锈颜料,如锌铬黄、三聚磷酸铝等也能起到较好的防腐蚀效果。

(2)填料的选择填料的作用是提高涂膜的硬度、刚性、耐划伤性、抗冲击等物理性能,同时可以改进粉末涂料的松散性和提高涂层的玻璃化温度等性能。填料量过高,涂层发脆,耐冲击性能不好;填料量过低,又会影响到涂膜的刚性、耐划伤性等物理力学性能。经过多次试验,最后选取了性价比较高的沉淀硫酸钡、硅微粉等作为重防腐蚀环氧粉末涂料的填料组分。表6是不同填料用量对涂层物理性的影响。

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从表6看出,Ⅳ号配方最佳,选择一定的沉淀硫酸钡、硅微粉及气相二氧化硅比例可使涂膜具有较好的综合性能。

(3)助剂的选择因粉末涂料状态的特殊性,如要求环氧树脂和固化剂是容易粉碎和分散的固体粉末或片状物;粉末涂料的固化反应温度较高,大多数品种都在180℃左右,所以粉末涂料组成成分受到耐高温等某些限制,一般在溶剂型和水性涂料中常用的助剂,不能用在粉末涂料中,能用于粉末涂料中的品种就比较少。助剂包括流平剂、固化促进剂、光亮剂、脱气剂、防结块剂、消光剂等。其中,流平剂和固化促进剂最为重要。

流平剂可有效提高涂膜的光泽和平整性,在没有添加流平剂的粉末涂料中,涂层存在严重的“麻坑”和内部孔隙等现象以及光泽度差等特点。固化促进剂能有效降低树脂与固化剂发生交联反应的活化能,提高涂层固化的反应速度,大大提高了生产效率。试验证明,不添加固化促进剂,树脂和固化剂固化反应交联不完全,制备的涂膜脆性很高,附着力很差。

该环氧粉末涂料要求厚涂层一次喷涂成型,为防止流挂,要求涂料具有较低的熔融流动性,容易导致涂层的表面不平整。粉末涂料的流平性受流平助剂、成膜树脂的结构和固化机理等制约。选用了合适的树脂及固化剂,具有较高的软化点和较窄的分子量分布,分子结构较为规整。最终使环氧树脂与固化剂在高温固化时具有较低的熔融流动性,不易产生流挂现象,且板面较为平整。通过改变助剂的使用量,可降低涂料水平流动性,能够起到防流挂的作用。表7是不同固化促进剂用量对固化时间的影响。表8是相关助剂种类、用量及用途。因该环氧粉末涂料较多用在酸碱盐重腐蚀环境下防腐蚀,故在颜填料及助剂的选择方面应首先考虑其化学稳定性,良好的耐酸、耐碱、耐温颜填料及助剂是首选。

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2.2 重防腐蚀环氧粉末涂料基础配方及涂层性能

通过涂料组成材料的选择、优化和关键性能指标评价,最后得到重防腐蚀环氧粉末的基础配方见表9,所得涂层性能见表10。由表10可以看出:该涂料具有较好的综合性能及良好的抗化学磨蚀性,可为环氧粉末涂料的研究提供参考。

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结论

研制了一种用于酸碱盐重腐蚀环境下防腐蚀保护要求的环氧粉末涂料,该涂料绿色环保无污染,通过树脂和固化剂的共聚交联反应,选择合适的颜填料及助剂等,增加了体系的交联密度,提高了涂膜耐介质渗透能力,耐碱性等性能提高。且施工工艺简单,不需要底漆可一次厚涂,快速固化有利于流水线作业,易于检测与修补,涂层质量易于控制,具有较广的应用领域。



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