涂料文獻(xiàn)：純環(huán)氧型鋼筋粉末涂料的研制

   全球涂料網(wǎng)訊：

  【摘要】采用環(huán)氧當(dāng)量在845-900之間的二步法雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂同酚類固化劑搭配作為成膜主體研究了固化劑、固化促進(jìn)劑及填料用量對(duì)涂層綜合性能的影響，優(yōu)化了配方，制得了性能優(yōu)異的純環(huán)氧型鋼筋粉末涂料產(chǎn)品，可滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋的各項(xiàng)性能要求。

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑工程中早已得到了廣泛應(yīng)用，然而在沿海的港口碼頭、跨海大橋、需要灑鹽水防凍解凍的機(jī)場(chǎng)及高速公路等設(shè)施環(huán)境中，由干鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，不可避免地存在縫隙或空隙，使得具有較強(qiáng)腐蝕能力的海水、酸雨、鹽水等慢慢滲入結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步對(duì)鋼筋進(jìn)行銹蝕，降低鋼筋的力學(xué)性能;更為嚴(yán)重的是，銹蝕所產(chǎn)生的氧化鐵皮會(huì)產(chǎn)生幾十倍的體積膨脹，引起混凝土開(kāi)裂和保護(hù)層剝落，進(jìn)一步縮短鋼筋混凝土建筑的服役壽命，甚至引發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)難性事故。

    對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在使用前進(jìn)行涂裝保護(hù)已被證明是目前鋼筋混凝土防護(hù)的最佳手段，北美地區(qū)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了該方面的研究。目前一般采用環(huán)氧粉末涂料對(duì)鋼筋進(jìn)行涂覆，環(huán)氧涂層鋼筋已被美國(guó)、日本、歐洲及遠(yuǎn)東、中東等國(guó)家和地區(qū)規(guī)定在惡劣環(huán)境中的工程必須使用的產(chǎn)品。建筑鋼筋的腐蝕間題也引起了國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)和專家的重視，先后出臺(tái)了JG3042-1997《環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T18593-2001(熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

    國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究較多，產(chǎn)品也形成了系列化，不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品具有各自的特點(diǎn)，但大部分都是針對(duì)上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所提出的性能要求而進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

    本研究針對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鋼筋涂覆及環(huán)氧粉末涂料自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)配方及生產(chǎn)工藝，得到了可滿足使用要求的純環(huán)氧型鋼筋粉末涂料產(chǎn)品配方。

    1、試驗(yàn)部分

    1.1原材料

    環(huán)氧樹(shù)脂GECN704,GESR902,GESR903,GESR904,GESR11907,GESR909，工業(yè)級(jí)，廣州宏昌電子材料股份有限公司；雙氰胺，工業(yè)級(jí)，寧夏貝利特化工有限公司;酚醛固化劑KD-410，工業(yè)級(jí)，上海國(guó)都化工公司；葵二酸二酰肼，工業(yè)級(jí)，上海卓銳化工有限公司；甲級(jí)四氫苯酐，工業(yè)級(jí)，濮陽(yáng)環(huán)宇化工有限公司；粉末涂料用流平劑、安息香、透氣劑、二甲基咪唑（2MI）等，均為工業(yè)級(jí)，寧波南�；瘜W(xué)有限公司；沉淀鋇，工業(yè)級(jí)，上海鳳陳粉體材料有限公司；炭黑，涂料級(jí)，卡博特公司。

    1.2主要設(shè)備

    Φ30型雙螺桿擠出機(jī)、萬(wàn)能中藥粉碎機(jī)，ACM磨粉系統(tǒng)、小型靜電噴涂設(shè)備、沖擊試驗(yàn)儀、附著力試驗(yàn)儀等涂料及涂層性能檢測(cè)設(shè)備。

    1.3粉末涂料及涂層制備

    按設(shè)計(jì)配方稱取各組分原料，經(jīng)萬(wàn)能中藥粉碎機(jī)充分預(yù)混合后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)在設(shè)定溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熔融擠出，擠出片料經(jīng)冷卻、粉碎、篩分、靜電噴涂、熱固化成膜，最后對(duì)涂膜進(jìn)行性能側(cè)試。

    2、結(jié)果與討論

    2.1環(huán)氧樹(shù)脂的選擇

    傳統(tǒng)重防腐涂料的主體樹(shù)脂大多使用環(huán)氧樹(shù)脂，這是由環(huán)氧樹(shù)脂的分子鏈結(jié)構(gòu)所決定的，環(huán)氧樹(shù)脂尤其是雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂中的羥基具有高極性，可以與金屬表面形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)了環(huán)氧樹(shù)脂的附著力；分子結(jié)構(gòu)中的醚鍵提供了優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性能及彎曲性能;丙烷基和苯環(huán)賦予環(huán)氧樹(shù)脂以耐熱性和機(jī)械剛性。環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基和固化劑中的羥基反應(yīng)可交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)環(huán)氧固化劑選擇范圍廣、休系的反應(yīng)活性易于調(diào)節(jié)�；�于上述因素，本文在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)氧涂層鋼筋用粉末涂料時(shí)也沿用了環(huán)氧樹(shù)脂體系。環(huán)氧樹(shù)脂的合成工藝可以分為一步法和二步法。其中通過(guò)二步法得到的環(huán)氧樹(shù)脂具有較窄的相對(duì)分子質(zhì)量分布、較低的氯含量和雜質(zhì)含量，因而在耐腐蝕、耐化學(xué)品性能上更為出色，故本研究主要采用二步法環(huán)氧樹(shù)脂作為研究主體。

    柔韌性能是鋼筋粉末涂料的極為重要的性能參數(shù)，因此本研究首先對(duì)比了由不同環(huán)氧當(dāng)量的環(huán)氧樹(shù)脂制得的涂膜在柔韌性上的區(qū)別，以KD410作為環(huán)氧固化劑，按環(huán)氧基：羥基=1:1的配方比例設(shè)計(jì)配方;每200g樹(shù)脂配方中添加20g的沉淀鋇作為填料，其余流平劑、安息香、消泡劑等常規(guī)助劑按常規(guī)粉末涂料配方比例添加，以炭黑作為顏料試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

    由表1可以看出，環(huán)氧當(dāng)量增加，涂膜的柔韌性增加。這是由于隨著環(huán)氧當(dāng)量增加，單位環(huán)氧樹(shù)脂中可參與反應(yīng)的環(huán)氧基數(shù)目相對(duì)減少，固化反應(yīng)完成以后所形成的涂膜交聯(lián)密度也相應(yīng)降低，韌性增加。以GECN704和GESR903為例,704的環(huán)氧當(dāng)量約為粉末涂料中通用E-12型環(huán)氧樹(shù)脂GESR903的1/4，因此理論上704完全反應(yīng)后所形成涂膜的交聯(lián)密度可達(dá)到903體系的4倍，表現(xiàn)為涂膜的脆性極強(qiáng)，柔切性很差;隨著環(huán)氧當(dāng)量的提高成膜后的涂層交聯(lián)密度也相應(yīng)下降，韌性增強(qiáng)；但配方中環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量不宜過(guò)高否則涂層的致密程度過(guò)低，防腐耐蝕性能不足，由表1還可以看出，環(huán)氧當(dāng)量過(guò)高或者過(guò)低，涂膜的外觀均不好，這是因?yàn)榄h(huán)氧當(dāng)量過(guò)低，環(huán)氧樹(shù)脂的黏度和軟化點(diǎn)也低，但環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)活性很高，固化反應(yīng)期間整個(gè)體系的黏度短時(shí)間內(nèi)急劇變化而來(lái)不及充分流平，導(dǎo)致涂膜外觀差，表面出現(xiàn)很多麻點(diǎn)和縮孔；環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量過(guò)高，樹(shù)脂本身的軟化點(diǎn)就已經(jīng)很高，因此在熔融流平過(guò)程中體系的黏度一直比較高，在固化過(guò)程中很難充分流平，最終導(dǎo)致涂膜的外觀橘皮嚴(yán)重；此外，樹(shù)脂的軟化點(diǎn)過(guò)高，會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便，造成設(shè)備損耗嚴(yán)重。基干以上分析，本研究選擇GESR904H作為鋼筋粉末涂料的配方樹(shù)脂。

    2.2固化體系的選擇

    本研究在此基礎(chǔ)上，選擇GESR904H作為主體樹(shù)脂，按環(huán)氧基:羥基=1:1的比例添加固化劑，每200g樹(shù)脂配方中添加20g的沉淀鋇作為填料。其余流平劑、安息香、消泡劑等常規(guī)助劑按常規(guī)粉末涂料配方比例添加，以炭黑作為顏料，對(duì)比了不同類型固化劑對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

    試驗(yàn)結(jié)果表明，酸酐體系活性偏低，得到的涂膜外現(xiàn)不佳，同時(shí)在擠出和烘烤過(guò)程中有小分子放出，一方面導(dǎo)致涂膜產(chǎn)生針孔，另一方面會(huì)對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生影響，因此不適合作為鋼筋粉末涂料的配方組分。而雙氰胺、酚類固化劑和酰肼作為固化組分所得的涂層，外觀和柔韌性能均能滿足要求，理論上均可以作為鋼筋粉末涂料配方的固化組分。但是鋼筋粉末涂料通常要求涂料具有高溫下快速固化的特點(diǎn)，這樣有利于提高生產(chǎn)效率和節(jié)約涂裝成本，因此對(duì)于雙氰胺類固化劑，雖然微粉化后可以在不添加固化促進(jìn)劑的情況下實(shí)現(xiàn)180-200℃完全固化，但通常其固化時(shí)間較長(zhǎng)一般在5min以上，因此，如果要滿足施工要求，需要添加大量的2-甲基咪唑(2MI)等固化促進(jìn)劑來(lái)提高體系的反應(yīng)活性，而常見(jiàn)的咪唑類固化促進(jìn)劑對(duì)體系的活性影響很大，一旦分散均勻，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的反應(yīng)活性在很大范圍內(nèi)波動(dòng)、給生產(chǎn)造成不便。酰肼類固化劑具有極高的反應(yīng)活性，無(wú)需添加固化促進(jìn)劑的條件下都可以實(shí)現(xiàn)150℃快速固化，涂膜的耐黃變性和綜合性能十分理想，美中不足的是存在一定的毒性，限制了它的廣泛應(yīng)用。而酚類固化劑同環(huán)氧樹(shù)脂的相容性好，反應(yīng)活性相對(duì)較高，添加少量的2MI等固化促進(jìn)劑就可以大幅度提升休系的反應(yīng)活性，甚至可以在合成過(guò)程中預(yù)先添加固化促進(jìn)劑以便于分散，得到的涂膜綜合性能優(yōu)異，尤其是耐化學(xué)品性能極為出色�；�于以上因素，本研究擬采用酚類固化劑作為鋼筋粉末涂料的配方固化組分。

    2.3固化劑及固化促進(jìn)劑用量的選擇

    不同固化劑用量（羥基/環(huán)氧基團(tuán)物質(zhì)的量比，下同）對(duì)涂層性能的影響見(jiàn)表3。

    表3數(shù)據(jù)表明，固化劑過(guò)量較多時(shí)，固化后的涂膜交聯(lián)密度過(guò)高，柔韌性能降低，固化劑用量過(guò)低，固化后的涂膜交聯(lián)密度不夠，涂層綜合性能下降，適宜的固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂配比在0.9-1.1之間。從綜合成本考慮，固化劑用量為0.9是比較適合的。此外，由表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，固化劑配比在0.7-1.2的范圍內(nèi)，固化劑用量對(duì)粉末涂料反應(yīng)活性（膠化時(shí)間）和水平流動(dòng)的影響幾乎可以忽略，此配方條件下，涂膜的反應(yīng)活性偏小還不能達(dá)到環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋的指標(biāo)要求，因此必須加入一定量的2MI作為固化促進(jìn)劑來(lái)調(diào)節(jié)體系的反應(yīng)性。

    不同促進(jìn)劑用量對(duì)粉末涂料反應(yīng)活性的影響如圖1所示。

    由圖1可以看出，加人固化促進(jìn)劑以后，體系的膠化時(shí)間開(kāi)始急劇縮短，隨著固化促進(jìn)劑用量的增加體系的膠化時(shí)間不斷減小說(shuō)明活性不斷增加，但整體趨于平緩。

    對(duì)于鋼筋粉末涂料，其噴涂方式一般為：表面處理完畢的鋼筋經(jīng)230-250℃預(yù)熱30-45min后趁熱噴涂，被噴涂的粉末涂料利用鋼筋自身的余熱完成最后的交聯(lián)固化，固化完畢的鋼筋經(jīng)冷水浸泡冷卻即可送檢待用。

    對(duì)圖1中7個(gè)不同促進(jìn)劑用量的粉末涂料配方按上述涂裝方式進(jìn)行涂裝固化。對(duì)比了不同固化促進(jìn)劑用量對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果如表4所列。

    表4數(shù)據(jù)表明，隨著固化促進(jìn)劑用量的增加，粉末涂料的流動(dòng)逐漸變小;同時(shí)涂層的柔韌性能先增加后減小。這是因?yàn)樵诠袒�促進(jìn)劑用量較少的情況下，體系的反應(yīng)活性不夠，在標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋粉末涂料涂裝條件下來(lái)不及完全固化，因此涂層的綜合性能無(wú)法達(dá)到最佳;隨著促進(jìn)劑用量的增加，體系的活性不斷增加，規(guī)定時(shí)間內(nèi)基本達(dá)到完全固化，當(dāng)促進(jìn)劑用量超過(guò)2.0g(每200g環(huán)氧樹(shù)脂，下同)后，體系存在過(guò)度固化的情況(2MI本身也可以參與交聯(lián)反應(yīng))，反而降低了涂層的整體性能。通過(guò)表4的系列試驗(yàn)，本研究認(rèn)為促進(jìn)劑用量在0.5-1.0g之間是比較適合的。

    2.4填料用量的確定

    在粉末涂料配方中，無(wú)機(jī)填料雖然一般不參與反應(yīng)，但對(duì)于降低配方成本能起到非常關(guān)鍵的作用。填料含量不能過(guò)高，否則容易降低涂層的整體性能，尤其是涂層的柔韌性對(duì)于鋼筋粉末涂料而言，涂層的柔韌性能是非常關(guān)鍵的因素，因此本研究需要確定配方中的最佳填料用量。不同填料用量對(duì)粉末涂料涂層性能的影響見(jiàn)表5。

    由表5可知，隨著填料含量的增加，涂層的柔韌性能相應(yīng)下降，填料添加量不超過(guò)40g的情況下，得到的涂膜可滿足柔韌性能要求，而在填料含量不超過(guò)20g的情況下，得到的涂膜柔韌性能更為優(yōu)異，可以通過(guò)更大彎曲角度的柔韌性能測(cè)試。

    2.5鋼筋粉末涂料主體配方的確定

    綜上所述，應(yīng)用于環(huán)氧涂層鋼筋的純環(huán)氧型粉末涂料的主體配方如表6所列。

    由表6所制得的粉末涂料產(chǎn)品噴涂于鋼筋后的效果如圖2所示。

    本配方產(chǎn)品經(jīng)中石油管道分公司管道科技研究中心試驗(yàn)技術(shù)測(cè)試所檢測(cè)可滿足JG3042-1997中關(guān)于環(huán)氧粉末涂料的相關(guān)指標(biāo)要求。涂層各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表7所列。

    3、結(jié)語(yǔ)

    本文通過(guò)采用較高環(huán)氧當(dāng)量的二步法環(huán)氧樹(shù)脂同酚類固化劑搭配，通過(guò)2甲基咪唑來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，控制無(wú)機(jī)填料添加量，制得了純環(huán)氧型鋼筋粉末涂料產(chǎn)品�？蓾M足當(dāng)前國(guó)內(nèi)建筑用環(huán)氧涂層鋼筋的各項(xiàng)性能要求，同時(shí)高環(huán)氧當(dāng)量型環(huán)氧樹(shù)脂的引人，在一定程度上能延長(zhǎng)具有高反應(yīng)活性的純環(huán)氧粉末涂料產(chǎn)品的存貯周期，因而具有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。（來(lái)源：全球涂料網(wǎng)）（更多資訊請(qǐng)登錄：全球涂料網(wǎng) http://srglobaltrade.com/）