鋼樁用粉末涂料的性能特點及研制應(yīng)用

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    摘要：通過對環(huán)氧樹脂、固化劑、助劑、顏填料的選擇，精確設(shè)計配方，反復(fù)調(diào)整試驗配方，結(jié)合施工工藝，現(xiàn)場應(yīng)用，研制生產(chǎn)了符合要求的鋼樁外防腐熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料。

    海洋不僅是巨大的資源寶庫，而且是人類生存與發(fā)展不可缺少的空間環(huán)境，是解決人口劇增、資源短缺、環(huán)境惡化3大難題的希望所在。隨著我國經(jīng)濟實力的不斷提高及沿海地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展的需要，作為經(jīng)濟發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施的跨海大橋和臨海大橋不斷興建。資料顯示，我國已建和在建的跨海大橋數(shù)量不少，它所帶來的經(jīng)濟收益將遠遠超過建橋本身。例如，作為國內(nèi)第一座跨海大橋。上海東海大橋使上海人的活動半徑向大海延伸了30多公里，這是歷史性的突破。同時，上海南匯、奉賢等地區(qū)也由此成為上海制造業(yè)的新高地。再如杭州灣跨海大橋的建設(shè)，完善了長江三角洲區(qū)域公路布局及國道主干線，緩解了滬、杭、兩高速公路自流量的壓力，有利于杭州灣地區(qū)城市主動接軌上海。擴大開放，推動了長三角地區(qū)的合作與交流。由于鋼材的強度高，韌性好，容易加工，質(zhì)量也容易保證，這些優(yōu)點推動了鋼鐵在海洋港灣設(shè)施上的大量應(yīng)用。作為跨海大橋的支架，海洋環(huán)境下，腐蝕是其致命的弱點。鋼鐵材料在海洋中的耐蝕性能較差，影響了鋼構(gòu)物的使用壽命，并直接影響大橋的使用安全。由于跨海大橋是建在環(huán)境相當(dāng)惡劣的海洋環(huán)境中，因此，海洋大氣嚴重的鹽霧腐蝕是跨海橋梁設(shè)計和建造過程中必須重視的課題。為了確保安全和節(jié)省維修費用，應(yīng)該據(jù)跨海橋梁的類型、結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和地理位置，為鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護設(shè)計合理的防腐蝕涂裝方案。

    本項目是在原有雙層環(huán)氧粉末研究技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋼樁應(yīng)用環(huán)境的特點及所要求的涂層特性，進行地一次配方技術(shù)改進。

    鋼樁粉末涂層性能特點

    底層：

    具有極強的水煮附著力和良好的抗彎曲性；

    涂層堅韌耐磨，抗沖擊和抗劃傷性能好，能抵擾土壤的應(yīng)力；

    涂覆方便，固化迅速；

    能在較大溫度范圍內(nèi)起到保護作用，并具有長效持久的防腐效果；

    具有優(yōu)良的抗陰極剝離性能，抗化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，耐水、酸、堿、鹽。

    中間層（若需要）：

    具備一定的彈性功能，吸收和緩釋能量；

    具有卓越的耐化學(xué)品性、防腐蝕性和絕緣性、耐溶劑性、耐陰極剝離性、流平性和附著力，以及柔韌性，抗沖擊性等機械性能。

    面層：

    與前面的涂層同時施工，一次成型；

    涂層具有優(yōu)異的抗磨、耐沖刷、抗沖擊和抗劃傷性能，卓越的耐化學(xué)品性、防腐蝕性、絕緣性、耐溶劑性、流平性和附著力以及柔韌性等機械性能；

    涂層堅韌耐磨，抗沖擊，能抵抗土壤的應(yīng)力；

    具有一定的耐候性。

    按照以上標(biāo)準要求，通過對環(huán)氧樹脂、固化劑、助劑、顏填料的選擇，精確設(shè)計配方，反復(fù)調(diào)整試驗配方，結(jié)合施工工藝和現(xiàn)場應(yīng)用，研制生產(chǎn)出了符合要求的鋼樁外防腐層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料。

    1、實驗部分

    1.1樹脂的選擇

    環(huán)氧樹脂具有力學(xué)性能好、粘結(jié)性能高、固化收縮率低、綜合性能優(yōu)異等特點，廣泛應(yīng)用于防腐領(lǐng)域。環(huán)氧樹脂的類型及相對分子質(zhì)量對涂料性能的影響很大，雙酚A型環(huán)氧樹脂分子中含有極性高的脂肪族羥基和醚鍵。使其對底材具有較高的浸潤性和粘附性，而且耐化學(xué)品性能也高，又因其結(jié)構(gòu)為剛性的苯環(huán)和柔性的烴鍵交替排列，從而賦予了涂膜較好的物理機械性能。為了提高涂層的耐高溫滲透性和附著力，在設(shè)計底層粉末涂料配方時，沒有采用普通的雙酚A型環(huán)氧樹脂，而采用了中等相對分子質(zhì)量的改性環(huán)氧樹脂1為成膜物質(zhì)。該改性環(huán)氧樹脂1的醚鍵和C-C鍵使其大分子具有柔順性。苯環(huán)賦予聚合物耐熱性和剛性，異丙基也賦予大分子一定的剛性。改性環(huán)氧樹脂1具有柔韌性長鏈結(jié)構(gòu)，賦予涂層良好的抗沖擊性，其結(jié)構(gòu)如式(1)。

    在設(shè)計面層粉末涂料配方時，為了提高涂膜附著力、硬度和耐化學(xué)腐蝕能力，在配方中加入了一定量的特種改性環(huán)氧樹脂2與改性環(huán)氧樹脂1搭配，該樹脂分子結(jié)構(gòu)中不但含有較多的苯環(huán)和羥基，而且有較長的柔性鏈。與相應(yīng)固化劑有極好的相容性，反應(yīng)活性高，有極強的粘附力，可快速固化，交聯(lián)密度高，抗介質(zhì)滲透能力強，涂膜具有卓越的剛性、耐濕熱性、耐化學(xué)品性、耐溶劑性、耐陰極剝離性和抗沖擊性等機械性能，其結(jié)構(gòu)如式(2)。

    在特種改性環(huán)氧樹脂2的加人量過大時，雖然會明顯提高涂膜的硬度、耐熱性、耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性能，但也會導(dǎo)致涂膜的脆性大，影響涂膜低溫彎曲性能。對兩種樹脂進行了多個不同配比的配方方案試驗，根據(jù)試驗結(jié)果最終確定了兩種樹脂的合理搭配比例。

    1.2固化劑的選擇

    環(huán)氧樹脂確定后，固化劑的性能決定了粉末涂料的防腐性能。底層環(huán)氧粉末涂料從開始使用的癸肼、酚醛樹脂作為固化劑，到以高分子酚類化合物作為固化劑，經(jīng)大量試驗證明，后者效果最好。高分子酚類固化劑其結(jié)構(gòu)如式(3)。

    從其分子結(jié)構(gòu)可以看出。它其實是以酚羥基封端的長鏈狀樹脂，與環(huán)復(fù)樹脂具有相似的結(jié)構(gòu)。從其合成機理來看，實質(zhì)上是用雙酚A與低相對分子質(zhì)量環(huán)氧樹脂在催化劑存在下反應(yīng)，生成高相對分子質(zhì)量環(huán)氧樹脂，然后再與過量雙酚A反應(yīng)，生成含羥基的化合物。因此，用作環(huán)氧粉末涂料的固化劑時，與樹脂具有更好的混容性。而且部分游離的雙酚A在參加反應(yīng)時就相當(dāng)于雙官能團的樹脂，其活性較大，易引起環(huán)氧基的開環(huán)反應(yīng)，同時也提高了交聯(lián)密度。所以，高分子酚類固化荊具有很高的反應(yīng)活性，所得的涂膜具有極高的光澤度、優(yōu)異的防腐性能和機械性能。

    高分子酚類化合物固化環(huán)氧粉末涂料固化機理較復(fù)雜，主要如式(4)一式(5)所示：

    (1)酚羥基與環(huán)氧基的醚化反應(yīng)：

    (2)仲羥基與環(huán)氧基的醚化反應(yīng)：

    固化機理表明，固化過程中無小分子物放出，涂層表面不存在“爆泡”等弊端，不會因為涂層厚度增加而導(dǎo)致性能下降。另外，固化劑中含有大量--0H，大大促進了對基體的附著力。通過大量的試驗證實，這種酚類固化劑固化的管道粉末涂料在平板或管道外壁的水煮附著力及-30℃抗3°彎曲性能非常優(yōu)秀。

    面層粉末涂料固化劑選用的是多官能團功能固化劑，這是一種新型含多種官能團的合成樹脂類固化劑，可與多種固體環(huán)氧樹脂配伍，具有極好的混熔性，反應(yīng)活性極高，可快速固化，有極高的交聯(lián)密度，賦予涂膜卓越的耐腐蝕性、耐化學(xué)品性、耐溶劑性，以及良好的流平性、柔韌性和優(yōu)異的附著力和抗沖擊性能。

    1.3固化促進劑的選擇

    2-甲基咪唑是粉末涂料常用的固化促進劑，式(6)為2-甲基咪哇活潑氫使環(huán)氧開環(huán)過程。

    2-甲基咪唑的加入量嚴重影響著整個涂料體系的固化溫度及固化時間，根據(jù)大量的實驗室數(shù)據(jù)并結(jié)合施工現(xiàn)場的噴涂條件，分別確定了底層和面層粉末涂料配方中咪唑的添加量，以確保層間結(jié)合力。

    1.4助劑的選擇

    為了提高各涂層致密度，防止產(chǎn)生針孔，配方中加入一定比例的脫氣劑，另外加入了一定量的流平劑。在提高粉末流動性、柔韌性和固化程度方面，選擇了加入適量功能助劑1。

    為了提高面層粉末的硬度和光滑度，增強涂層的抗劃傷性能，在配方中加入了一定量的功能助劑2。

    1.5顏填料的選擇

    顏填料的選用很大程度上影響著涂層的最終性能，適合的顏填料不僅能提高涂層的物理機械性能和耐化學(xué)介質(zhì)性能，而且對施工性能、貯存性能也會有改善。本項目選擇了硅灰石、絹云母粉和一種功能填料作為主要填充料。

    硅灰石是一種無機針狀礦物質(zhì)，無毒、耐化學(xué)腐蝕、熱穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性良好，有玻璃和珍珠光澤，吸水率和吸油值低，力學(xué)性能及電性能優(yōu)良，具有一定補強作用，使涂料可以得到更好的機械強度、增加耐久性、增強粘附力和抗腐蝕性能，還有良好的覆蓋率和附著力。云母粉有獨特的二維片狀結(jié)構(gòu)，能有效提高涂膜的抗?jié)B透性、耐候性、耐磨性及耐腐蝕性，另外不含任何放射性元素，是一種新型功能性綠色環(huán)保填料。功能填料使固化物具有優(yōu)異的絕緣性能和抗電弧性能，能增大導(dǎo)熱系數(shù)，提高硬度及耐磨性，改變附著性和增進阻燃性能，降低固化物的線膨脹系數(shù)和固化收縮率，從而消除內(nèi)應(yīng)力，防止開裂。根據(jù)不同填料的特性做了不同的比例搭配，從大量的試驗結(jié)果中分別選擇了兩種適合的比例搭配，應(yīng)用于底層和面層配方。顏料根據(jù)顏色需求來確定。

    2、配方組成與性能

    2.1配方組成

    鋼樁外防腐層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料配方見表1。

    2.2性能檢測

    鋼樁外防腐層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料經(jīng)國家權(quán)威部門按中國石油天然氣集團公司企業(yè)標(biāo)準Q/SY1038-2007或Q/CNPC38-2002(埋地鋼質(zhì)管道雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范)檢測的性能指標(biāo)見表2及表3。

    3、生產(chǎn)工藝與施工工藝

    3.1生產(chǎn)工藝

    產(chǎn)品主要生產(chǎn)工藝為

    原材料→稱量→預(yù)混合→熔融擠出→壓片→粗破碎→研磨（分級，篩選）→與功能助劑1混合→檢測→包裝→入庫

    具體操作時，先將所需原材料準備好，依配方準確稱取各種原材料。按照樹脂→填料，顏料→填料→樹脂的投料順序投入混料機中混料，熔融擠出（一區(qū)65-70℃，二區(qū)90-100℃，三區(qū)70-80℃），再經(jīng)壓片、破碎，研磨、篩選，同時加入功能助劑1,最后過分樣篩檢測，稱量、包裝后認庫。

    3.2施工工藝

    鋼管外表面涂敷之前，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵浔砻娓街�的油、油脂及其他污物、雜質(zhì)清除千凈。進入鋼管的表面處理設(shè)備和部件不能有污染鋼管表面的物質(zhì)。

    通過海洋運輸?shù)匿摴�，�?yīng)對其外表面進行鹽分含量檢查。如果含量超過50mg/m2，需用磷酸或去離子水進行處理。在磷酸或去離子水處理后應(yīng)測量外表面的剩余鹽分含量，每班至少要測量兩次，鹽分含量不應(yīng)超過50mg/m2。

    噴(拋)射除銹前，應(yīng)預(yù)熱鋼管，驅(qū)除潮氣，預(yù)熱溫度為40-60℃。

    鋼管外表面噴(拋)射除銹應(yīng)達到GB/T8923中規(guī)定的Sa2.5級。鋼管表面的錨紋深度應(yīng)在40-100微米,并符合環(huán)氧粉末生產(chǎn)廠的推薦要求。

    噴(拋)丸除銹后，應(yīng)將鋼管外表面殘留的銹塵清除干凈，不允許有灰塵等污染物的存在。鋼管表面預(yù)處理后4h內(nèi)應(yīng)進行噴涂。當(dāng)鋼管表面出現(xiàn)返銹或表面受污染時，必須重新進行表面預(yù)處理。

    噴射除銹后，應(yīng)用清潔、干燥的壓縮空氣吹掃鋼管內(nèi)表面，將殘留的鋼丸/砂粒和灰塵清除干凈。表面灰塵度應(yīng)達到現(xiàn)行國家標(biāo)準GB/T18570.3(涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的評定試驗第3部分:涂覆涂料前鋼材表面的灰塵評定(壓敏粘帶法))規(guī)定的2級。

    對可能影響防腐層質(zhì)量的表面缺陷應(yīng)進行修理，對于嚴重缺陷或無法清除缺陷的鋼管，應(yīng)與業(yè)主協(xié)商取得一致的處理意見。

    用于涂敷的壓縮空氣必須清潔、干燥、無油污。

    應(yīng)采用無污染的熱源對鋼管進行均勻加熱。

    按照試驗確定的涂裝工藝進行防腐層涂覆。

    涂料的固化應(yīng)在220℃固化3min。

    鋼管兩端預(yù)留的長度宜為（85土5)mm，預(yù)留段表面不得有涂層。若業(yè)主有要求時，應(yīng)滿符合業(yè)主的有關(guān)規(guī)定要求。

    固化后的防腐層應(yīng)及時采用水冷卻法冷卻。

    4、結(jié)語

    通過對原材料的選擇，特別是環(huán)氧樹脂和固化劑的選擇.結(jié)合大量實驗結(jié)果得出樹脂與固化劑合理的搭配比例，使得粉末涂料具有優(yōu)異的附著力和抗陰極剝離性能;結(jié)合現(xiàn)場施工工藝。通過調(diào)整多層粉末涂料的配方.不斷改變固化溫度和膠化時間，確保涂層之間結(jié)合力沒有問題;規(guī)范生產(chǎn)工藝流程，研制生產(chǎn)了性能優(yōu)良的鋼樁外防腐粉末涂料并通過了最新石油天然氣行業(yè)標(biāo)準的檢測。

    這種涂料自研制成功以來已在多家單位得以應(yīng)用，在橋梁鋼樁的防腐方面取得了不錯的效果。多層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料具有優(yōu)異的機械性能、耐磨、抗劃傷和耐化學(xué)品腐蝕性能，非常適合于橋梁、碼頭鋼樁外表面的防腐應(yīng)用，在使用過程中得到了多家施工方的一致好評，它的優(yōu)良特性已漸漸為人們所認知，隨著知名度的進一步提高，市場的不斷拓展，必將帶來更大的收益。（來源：全球涂料網(wǎng)）（更多資訊請登錄：全球涂料網(wǎng) http://srglobaltrade.com/）