鋼樁用粉末涂料的性能特點及研制應用

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    摘要：通過對環氧樹脂、固化劑、助劑、顏填料的選擇，精確設計配方，反復調整試驗配方，結合施工工藝，現場應用，研制生產了符合要求的鋼樁外防腐熔結環氧粉末涂料。

    海洋不僅是巨大的資源寶庫，而且是人類生存與發展不可缺少的空間環境，是解決人口劇增、資源短缺、環境惡化3大難題的希望所在。隨著我國經濟實力的不斷提高及沿海地區經濟快速發展的需要，作為經濟發展基礎設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量不少，它所帶來的經濟收益將遠遠超過建橋本身。例如，作為國內第一座跨海大橋。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、奉賢等地區也由此成為上海制造業的新高地。再如杭州灣跨海大橋的建設，完善了長江三角洲區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，有利于杭州灣地區城市主動接軌上海。擴大開放，推動了長三角地區的合作與交流。由于鋼材的強度高，韌性好，容易加工，質量也容易保證，這些優點推動了鋼鐵在海洋港灣設施上的大量應用。作為跨海大橋的支架，海洋環境下，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境相當惡劣的海洋環境中，因此，海洋大氣嚴重的鹽霧腐蝕是跨海橋梁設計和建造過程中必須重視的課題。為了確保安全和節省維修費用，應該據跨海橋梁的類型、結構、材料、尺寸和地理位置，為鋼結構的腐蝕防護設計合理的防腐蝕涂裝方案。

    本項目是在原有雙層環氧粉末研究技術成果的基礎上，根據鋼樁應用環境的特點及所要求的涂層特性，進行地一次配方技術改進。

    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，能抵擾土壤的應力；

    涂覆方便，固化迅速；

    能在較大溫度范圍內起到保護作用，并具有長效持久的防腐效果；

    具有優良的抗陰極剝離性能，抗化學和電化學腐蝕，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；

    涂層具有優異的抗磨、耐沖刷、抗沖擊和抗劃傷性能，卓越的耐化學品性、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，能抵抗土壤的應力；

    具有一定的耐候性。

    按照以上標準要求，通過對環氧樹脂、固化劑、助劑、顏填料的選擇，精確設計配方，反復調整試驗配方，結合施工工藝和現場應用，研制生產出了符合要求的鋼樁外防腐層熔結環氧粉末涂料。

    1、實驗部分

    1.1樹脂的選擇

    環氧樹脂具有力學性能好、粘結性能高、固化收縮率低、綜合性能優異等特點，廣泛應用于防腐領域。環氧樹脂的類型及相對分子質量對涂料性能的影響很大，雙酚A型環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，而且耐化學品性能也高，又因其結構為剛性的苯環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，在設計底層粉末涂料配方時，沒有采用普通的雙酚A型環氧樹脂，而采用了中等相對分子質量的改性環氧樹脂1為成膜物質。該改性環氧樹脂1的醚鍵和C-C鍵使其大分子具有柔順性。苯環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。改性環氧樹脂1具有柔韌性長鏈結構，賦予涂層良好的抗沖擊性，其結構如式(1)。

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

    在特種改性環氧樹脂2的加人量過大時，雖然會明顯提高涂膜的硬度、耐熱性、耐磨性和耐化學腐蝕性能，但也會導致涂膜的脆性大，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，根據試驗結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，經大量試驗證明，后者效果最好。高分子酚類固化劑其結構如式(3)。

    從其分子結構可以看出。它其實是以酚羥基封端的長鏈狀樹脂，與環復樹脂具有相似的結構。從其合成機理來看，實質上是用雙酚A與低相對分子質量環氧樹脂在催化劑存在下反應，生成高相對分子質量環氧樹脂，然后再與過量雙酚A反應，生成含羥基的化合物。因此，用作環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在參加反應時就相當于雙官能團的樹脂，其活性較大，易引起環氧基的開環反應，同時也提高了交聯密度。所以，高分子酚類固化荊具有很高的反應活性，所得的涂膜具有極高的光澤度、優異的防腐性能和機械性能。

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

    (1)酚羥基與環氧基的醚化反應：

    (2)仲羥基與環氧基的醚化反應：

    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，可與多種固體環氧樹脂配伍，具有極好的混熔性，反應活性極高，可快速固化，有極高的交聯密度，賦予涂膜卓越的耐腐蝕性、耐化學品性、耐溶劑性，以及良好的流平性、柔韌性和優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氧開環過程。

    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，根據大量的實驗室數據并結合施工現場的噴涂條件，分別確定了底層和面層粉末涂料配方中咪唑的添加量，以確保層間結合力。

    1.4助劑的選擇

    為了提高各涂層致密度，防止產生針孔，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介質性能，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，無毒、耐化學腐蝕、熱穩定性及尺寸穩定性良好，有玻璃和珍珠光澤，吸水率和吸油值低，力學性能及電性能優良，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構，能有效提高涂膜的抗滲透性、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保填料。功能填料使固化物具有優異的絕緣性能和抗電弧性能，能增大導熱系數，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和固化收縮率，從而消除內應力，防止開裂。根據不同填料的特性做了不同的比例搭配，從大量的試驗結果中分別選擇了兩種適合的比例搭配，應用于底層和面層配方。顏料根據顏色需求來確定。

    2、配方組成與性能

    2.1配方組成

    鋼樁外防腐層熔結環氧粉末涂料配方見表1。

    2.2性能檢測

    鋼樁外防腐層熔結環氧粉末涂料經國家權威部門按中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY1038-2007或Q/CNPC38-2002(埋地鋼質管道雙層熔結環氧粉末外涂層技術規范)檢測的性能指標見表2及表3。

    3、生產工藝與施工工藝

    3.1生產工藝

    產品主要生產工藝為

    原材料→稱量→預混合→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65-70℃，二區90-100℃，三區70-80℃），再經壓片、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，必須采用適當的方法將其表面附著的油、油脂及其他污物、雜質清除千凈。進入鋼管的表面處理設備和部件不能有污染鋼管表面的物質。

    通過海洋運輸的鋼管，應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，鹽分含量不應超過50mg/m2。

    噴(拋)射除銹前，應預熱鋼管，驅除潮氣，預熱溫度為40-60℃。

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

    噴(拋)丸除銹后，應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。鋼管表面預處理后4h內應進行噴涂。當鋼管表面出現返銹或表面受污染時，必須重新進行表面預處理。

    噴射除銹后，應用清潔、干燥的壓縮空氣吹掃鋼管內表面，將殘留的鋼丸/砂粒和灰塵清除干凈。表面灰塵度應達到現行國家標準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))規定的2級。

    對可能影響防腐層質量的表面缺陷應進行修理，對于嚴重缺陷或無法清除缺陷的鋼管，應與業主協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。

    涂料的固化應在220℃固化3min。

    鋼管兩端預留的長度宜為（85土5)mm，預留段表面不得有涂層。若業主有要求時，應滿符合業主的有關規定要求。

    固化后的防腐層應及時采用水冷卻法冷卻。

    4、結語

    通過對原材料的選擇，特別是環氧樹脂和固化劑的選擇.結合大量實驗結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異的附著力和抗陰極剝離性能;結合現場施工工藝。通過調整多層粉末涂料的配方.不斷改變固化溫度和膠化時間，確保涂層之間結合力沒有問題;規范生產工藝流程，研制生產了性能優良的鋼樁外防腐粉末涂料并通過了最新石油天然氣行業標準的檢測。

    這種涂料自研制成功以來已在多家單位得以應用，在橋梁鋼樁的防腐方面取得了不錯的效果。多層熔結環氧粉末涂料具有優異的機械性能、耐磨、抗劃傷和耐化學品腐蝕性能，非常適合于橋梁、碼頭鋼樁外表面的防腐應用，在使用過程中得到了多家施工方的一致好評，它的優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）（更多資訊請登錄：全球涂料網 http://www.soutuliao.com/）