酚醛改性環氧樹脂耐磨防腐涂料的研制

    全球涂料網訊：

張迎平，劉蘭軒，汪洋，陶業立，劉秀生

    （武漢材料保護研究所，湖北武漢430030）

    摘要：利用酚醛改性環氧樹脂為基料，同時添加固體自潤滑材料、硬質抗磨材料、助劑等研制出一種耐磨防腐涂料。該涂料除具有良好的防腐蝕性，還具有優異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性，是抽油管桿等惡劣腐蝕條件下較理想的耐磨防腐涂料。

    關鍵詞：酚醛改性環氧樹脂；抽油管桿；耐磨防腐性；防腐涂料

    中圖分類號：TQ637 文獻標識碼：A 文章編號：1009-1696（2014）04-0010-04

    0 引言

    我國各油田的生產井中大部分使用抽油機井采油技術，抽油機井采油技術在我國石油開采中占據重要的地位。目前我國許多主力油田已進入中高含水開發期，綜合含水量甚至達到90%以上，當井液含水量大于60％時，井液物性由油包水型轉換為水包油型。此時，管桿壁失去了原油的保護作用，直接與水接觸，腐蝕速度加快，同時潤滑劑由原油變成水，管壁失去了原油的潤滑作用，磨損速度加快。同時由于側鉆井、斜井的增多等多種因素的綜合作用，使得抽油機井管桿偏磨問題越來越嚴重，已成為高含水期抽油機井開采的主要矛盾之一。因此，研制一種防腐蝕性好并具良好耐磨性的防護涂層，以提高油管、抽油桿的耐磨防腐性，對延長偏磨油井免修期、節約作業費用及管、桿投入費用具有重大意義［1-2］。

    本文以酚醛改性環氧樹脂為基料，同時添加多種固體自潤滑材料、硬質耐磨材料、助劑等研制出一種耐磨防腐涂料，并對其性能進行了研究［3-4］。試驗結果表明：該涂料除具有良好的防腐蝕性，還具有優異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性

    1 實驗部分

    1.1 涂料的配制

    1.1.1 主要原料

    環氧樹脂：岳陽石化總廠環氧樹脂廠；酚醛樹脂：新鄉市伯馬風帆實業有限公司；石墨粉：上海膠體化工廠；二硫化鉬粉：上海膠體化工廠；氧化鋯粉：800目，市售品；硅微粉：1000目，市售品；偶聯劑：KH-560，南京經緯化工有限公司；流平劑：433，消泡劑：6500，德謙化學有限公司。

    1.1.2 涂料的配制

    先將環氧樹脂、酚醛樹脂按比例混合均勻，在高速分散攪拌的過程中，按比例依次加入其他原料，混合攪拌后，用砂磨機研磨3~4遍，過濾后即得涂料成品。酚醛改性環氧樹脂耐磨防腐涂料的配方組成（質量份）如表1所示。

表1 涂料配方

    1.2 性能試驗

    1.2.1 涂層耐介質腐蝕性

    試樣制備：采用Ф10mm×120mm普通低碳鋼試棒，試棒一端為半球面，另一端距端面5mm處開一小孔用于懸掛。試棒經噴砂處理后，用浸涂的方法制備防腐涂層，共浸涂3次。第1、2次浸涂后先晾置15min，再經60℃×15min，120℃×30min干燥后，浸涂第3次，晾置15min，經60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥250μm。

    試驗方法：按GB1763—1989標準，將制好涂層的試棒分別放入腐蝕介質中進行浸泡試驗。

    1.2.2 涂層耐磨性

    試樣制備：采用100mm×8mm×5mm普通玻璃板，經溶劑清洗處理后，用噴涂的方法制備防腐涂層，共噴涂3次。第1、2次噴涂后先晾置15min，再經60℃×15min，120℃×30min干燥后，噴涂第3次，晾置15min，再經60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥60μm。

    試驗方法：采用JM-IV型漆膜磨耗儀，在750g負荷、75r/min的試驗條件下進行測試，用漆膜的失重表示漆膜的耐磨性（GB/T1768—2006）。

    1.2.3 涂層摩擦系數

    試樣制備：采用48mm×5mm×5mm普通低碳鋼板，經砂紙打磨處理后，用噴涂的方法制備防腐涂層，共噴涂3次。第1、2次噴涂后先晾置15min，再經60℃×15min，120℃×30min干燥后，噴涂第3次，晾置15min，再經60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥60μm。

    試驗方法：采用往復摩擦磨損試驗機，在500g負荷、往復頻率1.5Hz的試驗條件下，分別在干摩擦和水潤滑的條件下測定摩擦系數。

    2·結果與討論

    2.1 成膜基料的選擇

    環氧樹脂因含有活性極大的環氧基、羥基，以及醚、胺、酯等極性基團，因此賦予環氧樹脂固化物對金屬、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等極性基材優良的附著力，以及優良的化學穩定性和抗化學藥品性，耐酸、堿、鹽、機械油等多種介質腐蝕，但環氧樹脂的耐熱性較差；而酚醛樹脂具有良好的耐酸性、力學性能、耐熱性。通過將酚醛樹脂中的羥甲基與環氧樹脂中的羥基及環氧基進行化學反應，以及酚醛樹脂中的酚羥基與環氧樹脂中的環氧基進行化學反應，使高分子網絡交聯形成更為復雜的體型結構，而使材料的內部聯結更加緊密，耐腐蝕性有所提高。這種混合物具有環氧樹脂優良的黏結性，改進了酚醛樹脂的脆性，同時具有酚醛樹脂優良的耐熱性，也改進了環氧樹脂耐熱性較差的缺點。選用酚醛樹脂和環氧樹脂共混改性，可使漆膜具有良好的物理、機械性能和耐化學介質腐蝕性。涂層耐化學介質腐蝕情況見表2。

表2 涂層耐化學介質腐蝕性

    2.2 偶聯劑的選擇

    偶聯劑由兩部分組成：一部分是親無機基團，可與無機填料或增強材料作用；另一部分是親有機基團，可與合成樹脂作用。為了增加樹脂與填料之間的黏結力，應當采用偶聯劑進行處理，在樹脂和填料之間形成化學鍵結合，提高涂膜的內聚強度，并達到屏蔽或阻止腐蝕因子滲透的目的，從而提高涂膜的耐腐蝕性和耐磨性。硅烷類偶聯劑其結構的一端有能與環氧、酚醛等合成樹脂分子反應的活性基團，如氨基、環氧基等，另一端是與硅相連的烷氧基（如甲氧基、乙氧基等），這些基團在水溶液或空氣中水分的存在下，水解生成反應性硅醇，可與玻璃、礦物質、無機填料表面的羥基反應。因此，硅烷類偶聯劑常用于無機填料填充的環氧、酚醛等體系。本研究選用KH-560作偶聯劑。

    2.3 固體自潤滑材料的選擇

    常用的固體自潤滑材料有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯微粉等。這些固體自潤滑材料，在摩擦的條件下由于會富集在摩擦物件表面并形成轉移膜，所以用其填充的復合材料的摩擦系數可大幅下降，并可降低復合材料的磨損率。石墨化學性能穩定，耐溫性好，具有良好的耐腐蝕性，但石墨的水潤滑性不夠理想，并且對金屬有電化學腐蝕傾向；聚四氟乙烯微粉自潤滑性很好，但它表面能低，表面的黏附性較差，當其含量較少時，不足以形成完整的轉移膜，自潤滑效果不好，摩擦系數較大；當其含量大時會降低材料的內聚強度，涂層耐磨性差，防腐蝕性下降。本試驗選用二硫化鉬作為自潤滑減摩材料。二硫化鉬（MoS2）用量對摩擦系數的影響見圖1。

圖1 不同MOS用量對摩擦系數的影響

    由圖1可見：二硫化鉬可明顯提高涂層的減摩性，隨著二硫化鉬用量的增加，涂層摩擦系數逐步下降。水對涂層有顯著的潤滑作用，可大幅降低摩擦系數。

    不同MoS2用量的摩擦表面狀態見圖2。

圖2 不同MoS2用量的摩擦表面狀態

    由圖2可見：當二硫化鉬用量為0時，摩擦表面粗糙無光澤；當其用量達到6%時，摩擦表面明顯為光滑的狀態，說明摩擦表面形成了很好的潤滑轉移膜。

    2.4 耐磨填料的選擇

    耐磨填料一般是硬質材料，如陶瓷粉等，在涂層中主要起骨架的作用。本研究采用氧化鋯陶瓷粉和硅微粉配用作為耐磨填料，它們是無機惰性填料，不參與涂料的固化反應，可以降低固化收縮率，并能與基體樹脂緊密結合，形成致密的保護層，提高涂料內聚力和耐磨性等。不同填料用量對涂層耐磨性的影響見圖3。

圖3 不同填料用量對涂層耐磨性的影響

    3·結語

    本文討論了酚醛樹脂、二硫化鉬及耐磨填料對環氧樹脂耐磨防腐涂料性能的影響，其主要結論如下：

    （1）酚醛改性環氧樹脂經170℃×30min固化后漆膜具有良好的物理、機械性能和耐化學介質腐蝕性，是抽油管桿耐磨防腐涂層較理想的成膜物質；

    （2）二硫化鉬對涂層的減摩性具有明顯的改善作用，其用量大于4%時，涂層自潤滑性較好；當其用量達到6%時，摩擦表面會形成很好的自潤滑轉移膜，具有良好的自潤滑性；

    （3）水是酚醛改性環氧樹脂涂層良好的潤滑劑，這對涂層的實際應用是一種有利因素；

    （4）加入耐磨填料可提高涂膜的耐磨性，隨其用量的增大，涂層耐磨性變好，但當其用量大于40%后，磨損開始增大，耐磨填料用量以20%~40%為宜。

    參考文獻

    [1]強軍鋒，王楊勇，井新利.高耐磨性防腐涂料的研制［J］.石化技術與應用，2002，20（02）：96-98.

    [2]魏斌.碳鋯復合樹脂內涂層油管技術研究［J］.石油機械，2009，37（03）：8-15.

    [3]陳姝帆，李朗晨，洪海霞.環氧改性酚醛樹脂的耐腐蝕性能研究［J］.化工新材料，2009，37（06）：104-109.

    [4]劉慶剛.HR新型耐磨防腐涂料的研制與應用［J］.內蒙古石油化工，2010（17）：8-9.
（來源：全球涂料網）（更多資訊請登錄：全球涂料網 http://www.soutuliao.com/）