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海洋大气下钢结构保护涂层面漆老化性能分析,概述了海洋大气环境下钢结构保护涂层高耐久性面漆的现状及发展趋势
2019年11月15日    阅读量:1474     新闻来源:中网信息    |  投稿

0 引言

海洋钢结构防腐涂料主要指海上桥梁和码头、输油管线、海上平台等大型钢铁设施用防腐涂料,也包括沿岸设施用涂料及船舶涂料、集装箱涂料等。按ISO 12944-2 腐蚀环境分类,海洋大气环境属最高腐蚀级别(C5-M),其高湿度、高盐雾、强烈紫外线曝晒等对钢结构的腐蚀速度和程度要远远高于内陆大气环境,海洋大气环境下钢结构的保护尤其重要。海洋防腐对涂料的质量要求很高,一般要求其保护期至少在10 a 以上,属于重防腐领域中国建材网cnprofit.com


高性能防护涂料必须具有长效保护性,除保障防腐蚀性能外还要注重外观装饰性,故钢结构保护涂层体系中,面漆要具有很好的保光保色性。从应用场合、外观及性能要求、成本等综合考虑,脂肪族聚氨酯丙烯酸面漆在当今及将来仍占据主要地位,目前此环境下最典型的配套涂层为:富锌底漆+环氧云铁中涂漆+脂肪族聚氨酯丙烯酸面漆,寿命可达8 a 以上。


而高耐久的氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆也逐步在跨海大桥、海洋平台上应用。目前全球高耐久面漆主要有两条技术路线:以日本为代表的氟碳涂料和以欧美为代表的改性聚硅氧烷涂料。


自清洁能力强、耐紫外线且美观的氟碳涂料和丙烯酸改性聚硅氧烷涂料,保护年限可达20 a 以上,其中常温固化型氟碳面漆在海上钢结构桥梁防护中得到了较广泛的推广应用。


聚硅氧烷涂料技术的代表是美国的Ameron、英国的IP、丹麦的Hemple、荷兰的Sigma、挪威的Jotun 等几家欧美大涂料厂商。欧美公司从20 世纪80 年代开始研究聚硅氧烷涂料,直到90 年代在美国获得应用。


经历了20 多年的发展,研制出环氧改性聚硅氧烷涂料和丙烯酸改性聚硅氧烷涂料并分别申请了相关专利[1],目前国外在海洋平台、桥梁上的应用已有10 多年。近年来,以欧美公司为主的国外公司加快了聚硅氧烷涂料在国内的推广应用工作,占领我国涂料应用的高端市场,先后涂装了国家游泳馆水立方、香港新机场、重庆菜园坝大桥、广州新电视塔等标志性建筑[2],在海洋平台、跨海大桥等海洋钢结构上也开始应用。


国内对有机硅树脂及涂料有较多的研究和应用经验,但关于有机-无机复合的改性聚硅氧烷涂料的研究开发刚刚起步。


1 面漆耐老化性能分析

目前评价涂料耐久性最常用的是人工气候加速老化试验和QUV 加速老化试验,因其具有试验方便、条件可控、时间较短等优势,是配合研发、生产进行快速评定的好办法。当然,天然曝晒最接近实际使用状况,但因其试验时间长、检测较麻烦、费用较高等问题,一般到产品定型时才进行该项试验。而作为海洋平台等海上钢结构防腐涂料,还必须通过4 200 h 的循环腐蚀老化试验。


下面对丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆和丙烯酸改性聚硅氧烷面漆耐老化性能进行了初步评估,有助于了解3 种面漆的耐久性差异。还有许多试验如天然曝晒试验正在进行中,以后再作详细评价。


试验样板的制作及涂层配套:采用3 mm 钢板,除油,喷砂,吹净,喷涂底、中、面漆。其中耐QUV 加速老化试验、人工气候加速老化试验采用环氧富锌底漆+环氧云铁中涂+面漆三涂层配套体系;循环腐蚀试验采用无机富锌底漆+环氧云铁中涂+面漆3 涂层配套体系。3 种面漆主要组成见表1。

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注:为更客观地评价面漆的耐久性,故3 种面漆配方中都未添加紫外光吸收剂。

1.1 QUV 加速老化试验

用Q-LAB 公司的QUV 紫外光加速老化试验机测试三种白面漆的耐久性,测试循环条件为:(1)光照UVA-340,60 ℃,0.71 W/cm2,4 h;(2)凝露50 ℃,4 h。测试结果表眀,3 种白漆变色无明显差异,失光率差异较大,漆膜0~6 000 h 的失光率详见表2。

表2 白漆耐QUV 加速老化试验中失光率变化

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由3 种白面漆耐QUV 失光率的变化可知,0~1 800 h3 种白漆失光程度差不多,但2 500 h 后差异明显,2K-PU丙烯酸聚氨酯面漆急剧失光粉化,3 800 h 几乎完全失光,而氟碳面漆和丙烯酸改性聚硅氧烷面漆光泽保持较好,失光率上升缓慢。后期(6 000 h)氟碳面漆的保光率略优于丙烯酸改性聚硅氧烷面漆。

1.2 人工气候加速老化(氙灯)试验

3 种面漆人工气候加速老化试验正在进行中,表3 为老化试验2 000 h 时漆膜失光和变色数据。

表3 人工气候加速老化试验结果


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人工气候加速老化(氙灯)试验结果表 :3 种白面漆变色差异不明显;保光性上差异较大。双组分氟碳面漆和丙烯酸改性聚硅氧烷面漆保光性明显优于2K-PU 丙烯酸聚氨酯面漆;后期氟碳面漆保光性略优于改性聚硅氧烷面漆。QUV 紫外光加速老化试验和人工气候加速老化(氙灯)试验数据虽无直接关联,但趋势一致。就保光性而言,氟碳面漆和丙烯酸改性聚硅氧烷面漆远优于丙烯酸聚氨酯面漆,氟碳面漆的后期保光性略优于丙烯酸改性聚硅氧烷面漆。


氟碳面漆高保光性主要由其树脂中的超强键能所致,众所周知紫外线具有的能量约为314~419 kJ/mol,一般的化学键键能为167~418 kJ/mol,C—C 键键能约为350kJ/mol,而氟树脂中F—C 键键能高达486 kJ/mol,故含氟量高的氟树脂具有大量的F—C 键,其键能强,F 元素电负性大,因此具有优越的耐光性、耐候性、耐腐蚀、耐酸雨、耐温变、强自洁性等,氟碳涂料因其极好的保光性和耐久性等逐步被应用在钢结构桥梁和建筑外墙上。


 


丙烯酸改性聚硅氧烷面漆优异的保光性得益于Si—O键,无机的Si—O 键键能高达446 kJ/mol,且Si—O 键已经被氧化,聚合物主链不易受阳光中紫外线及大气中的大多数氧化性物质的影响,所以以Si—O—Si 为主体骨架的聚硅氧烷涂料也具有极优异的耐久性[3]。另外,相比于氟碳涂料和丙烯酸聚氨酯涂料,聚硅氧烷涂料突出优点就是施工固体分高,VOC 排放低,更环保。

表4 3 种面漆特性参数

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注:+++++代表最好,+代表最差。

1.3 循环腐蚀老化试验

海洋工程及其油气设施,其腐蚀环境(按ISO 12944标准中腐蚀环境分类:C5-M 和Im2)最为恶劣,必须对其进行特别关注,根据ISO 12944 钢结构的腐蚀防护系列标准、ISO 20340 海洋工程腐蚀防护控制标准和NORSOKM-501 挪威国家标准要求,对海洋大气区(环境类型C5-M)的涂层需要通过4 200 h 的循环腐蚀老化试验。


具体过程如下:(1)72 h(3 d)暴露在UV 和凝露中[循环:4 h UV(60±3) ℃,4 h 凝露(50±3) ℃;参照标准ISO 11507:1997];(2)72 h(3 d)盐雾(参照标准ISO7253:1996);(3)24 h(1 d)低温冷冻实验(-20±2) ℃。7 d(168 h)为一循环,实验进行25 个循环即4 200 h。试验结束后,观察划线处单边腐蚀要小于3 mm,附着力要大于5 MPa,老化过后附着力最大减幅50%。


平行比较发现,丙烯酸改性聚硅氧烷面漆在循环腐蚀老化试验中表现最佳,划线处单边扩蚀较小。3 种面漆非划线区都无起泡、锈点、开裂等不良现象,但丙烯酸聚氨酯面漆有明显失光、轻微粉化。4 200 h 的循环腐蚀老化试验后,附着力衰减很小,附着力都大于5 MPa。


试验发现,4 200 h 的循环腐蚀老化试验是非常苛刻的,它最大程度地模拟了恶劣的海洋气候条件,普通配套涂层通过5 000 h 的耐盐雾试验不是难事,但4 200 h 的循环腐蚀老化试验常常难通过。


2 结语

作为长效高耐久海洋防腐面漆,溶剂型双组分氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆相比常规丙烯酸聚氨酯面漆具有更好的保光性,其高耐久性将带来更长的使用寿命和较低的维护成本,即保用时间长,维护成本低。


氟碳面漆因其优越的耐候性、耐腐蚀、耐酸雨、耐热、耐低温、强自洁性等特性,已逐步在钢结构桥梁和建筑外墙等领域被推广应用。环保型水性氟碳涂料也在研究中,但要达到海洋防腐涂料的要求,还有相当的难度。


目前丙烯酸改性聚硅氧烷涂料受关注度远不及氟碳涂料,但其施工固体分远高于氟碳涂料,低VOC 排放,更环保;防腐性能同样优异,在某些场合,两涂层配套体系(无机锌底漆+丙烯酸改性聚硅氧烷面漆)就可达到常规三涂层防腐要求,简化涂装工序,大大节约了涂装成本。


随着我国环境保护的日益重视和海洋开发的大力发展,海洋大气用高耐候改性聚硅氧烷面漆的应用前景十分看好。


海洋大气下钢结构保护涂层面漆老化性能分析


陈月珍,潘玉红,潘煜怡,马胜军,沈海鹰(中海油常州涂料化工研究院,江苏常州213016)


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