2023-05-12
 
提升输油管道防腐效果的环氧粉末涂料材料制备
2023年05月12日   阅读量:1634

提升输油管道防腐效果的环氧粉末涂料材料制备 涂料在线,coatingol.com

「导读」

目前环境污染已经成为人们关注的重点问题,传统涂料中包含一定的环境污染因素,因此需要对其进行有效控制。


本研究采用线型酚醛环氧树脂(ENR)、环氧树脂E-12、固化剂JECP-02B制备了输油管线用熔结环氧粉末涂料。并考察了线型酚醛环氧树脂与环氧树脂E-12质量比对涂料性能的影响,以及固化剂JECP-02B、流平剂GLP588和固化促进剂2-甲基咪唑对固化行为的影响涂料在线coatingol.com


用红外光谱分析了固化前后树脂的变化,m(ENR)/m(E-12)=(70/20)~(20/80)、m(固化剂)/m(环氧树脂)=1/4、m(流平剂)/m(环氧树脂)=2/100、m(2-甲基咪唑)/m(环氧树脂)=(0.1~0.18)/100时,涂层性能达到输油管线防腐指标(SY/T0315-97)。


前言

环氧粉末涂料属于环保涂料,使用过程中采用静电喷涂技术,喷涂在对象表面,最终熔融成膜。这种材料与传统材料相比,具有较强的环保性、使用方便、涂膜性强。


环氧粉末涂料属于粉末涂料,主要使用环氧树脂作为材料,添加其他辅助材料制作而成,通常应用在管道运输中,具备较强的防腐效果。


国外市场上使用的水性环氧涂料主要是由两组分组成:一组分是疏水性的环氧树脂,另一组分是亲水的胺类固化剂。


基于二个组分的物理状态,E.C.Galgoci等人将水性环氧涂料分为以下五种类型:


①环氧树脂为液体或液体乳液,固化剂为水可溶性胺;

②环氧树脂为固体分散体,固化剂为水可溶胺;

③环氧树脂为液体或固体乳液,固化剂为含羧基或氨基官能团的丙烯酸分散体;

④环氧树脂为液体或固体分散体,固化剂为胺分散体;

⑤环氧树脂为固体分散体,固化剂为胺分散体。


• 含氟涂料,如日本旭硝子公司(AsahiGlass)研究出新型低VOC水性FEVE共聚物,配制的涂料具有媲美溶剂型氟碳产品的优异耐候性、耐水性、耐溶剂性和光泽度;


• 鳞片涂料,由玻璃磷片和耐腐蚀树脂构成,具有优越的防腐性能和防渗透性能,涂层的耐久性优于其他涂料,在美国、日本、西欧已得到广泛应用和发展。


我国从20世纪50年代开始开发防腐蚀涂料,经过六十年的发展,产品性能已经取得了长足的进步,特别是在20世纪90年代以后,由于合成树脂的高速发展,我国防腐蚀涂料进入以合成树脂为主的时代。


目前国内的防腐涂料品种比较齐全,从低档的沥青、醇酸树脂、酚醛树脂等系列涂料到中高档的环氧树脂涂料、氯化聚烯烃涂料、聚氨酯涂料和有机硅涂料等,基本能满足市场需求,但其中大多是溶剂型涂料品种。


我国防腐蚀涂料年产量在20万吨左右,其中环氧树脂类防腐涂料约7万吨、富锌涂料约1万吨、乙烯树脂类防腐涂料约3万吨、聚氨酯树脂类涂料约1万吨、粉末防腐涂料约2万吨、其它防腐涂料约6万吨。


目前,防腐涂料广泛应用于石油、化工、采矿、冶金、市政建设、能源和交通等行业,在防腐蚀涂料中,最突出应用的是重防腐涂料,如集装箱涂料、汽车涂料、建筑工业涂料,特别是海洋船舶涂料。


我国已成为全球第三大造船国,船舶涂料需求量将会以每年35%的速度增长。


01 环氧粉末涂料材料

环氧粉末涂料材料在实际应用的过程中,不会污染环境,20世纪90年代后,我国石油行业进入了快速发展阶段,在石油化工行业实际发展的过程中,对管道防腐性能的要求也逐渐提升。


如果仅仅使用传统的防腐处理方式,将会大大降低输油管道实际使用的安全性,因此需要针对防腐技术以及防腐材料进行优化管理,最终达到提升输油管道使用安全性的目的。


数目众多的固化剂首先分为显在型和潜伏型,显在型固化剂即普通的固化剂;潜伏型固化剂,则是与环氧树脂以配合的形式在30℃长期贮存稳定,一旦曝露于热、光和湿气中则易发生固化反应。


这类固化剂基本上是用物理和化学方法封闭其固化剂活性。固化剂分类如图1示。                            

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在反应器中加入一定量低相对分子质量的环氧树脂,然后加入定量双酚、催化剂,在一定温度下反应2h,然后加入含活性基团的试剂,升温使反应不断进行。


再加入定量的双酚A、催化剂在一定温度下反应1~2h,将生成物倒在干净的铁板上,冷却,即得固化剂。再将产品粉碎至50目,备用。制备工艺如图2所示。                            

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02 环氧粉末涂料材料的制备要求

在制备环氧粉末涂料材料的过程中,为了保证最终的制备质量,则需要根据相应的制备要求进行,提升材料制备的规范性和有效性。


例如,在选择环氧树脂的过程中,需要确定材料的熔融温度、分解温度、熔融黏度、电性能以及稳定性等参数;在生产加工中,则需要确定原材料的生产厂家、生产价格以及安全性等。


通常情况下,输油管道环氧粉末涂料材料制备使用固态双酚A环氧树脂作为基本材料,将固化剂与其结合,1mol的环氧基团,需要与1~2mol活性氢固化剂相互结合。


采用差示扫描量热仪(DSC)对涂料样品进行试,实验中升温速度为20℃/min,重点测试100~200℃范围内的热流变化,结果见图3。

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测定5组固化剂产品环氧值,每组按上述方法测定2次,取2次测定的平均值。根据测定结果,作固化剂环氧值与第二步反应时间的关系曲线,如表1所示。

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固化剂在环氧粉末涂料材料制备中,直接决定着涂料的性能,因此制备过程中需要保证固化剂的实际选择质量。


通常,固化剂在常温下,呈现固体状态,为粉末状、颗粒状或者是片状。在热熔融混合的过程中,固化剂不能与其他材料发生化学反应,粉末涂料制作完毕之后,能够在室温环境下存储半年以上,不凝聚结块,这是固化剂使用的基本条件。


针对颜填料,则需要具备较强的耐热性,管道防腐环氧粉末涂料材料的固化温度200~240℃,因此颜填料则需要在该温度的范围内保持稳定,避免环氧粉末涂料材料在固化过程中出现变色或者性能改变等情况。


另外,颜填料需要具备较强的耐磨性和硬度,通常情况下,无机颜料的耐温性以及耐化学性较强,例如滑石粉、高岭土以及云母粉等都能够满足环氧粉末涂料材料中颜填料的制作要求。


在环氧粉末涂料中,固化剂和环氧树脂是主要的成膜物质,不同配比的固化体系性能也不一样。


因此选定了不同配比的固化剂环氧树脂体系,测定了体系在150℃下的胶化时间。固化剂环氧树脂与胶化时间关系曲线如图4所示。


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03 输油管道防腐环氧粉末涂料材料的制备措施

① 环氧粉末涂料材料制备原材料


环氧粉末涂料在实际制备的过程中,使用的原材料主要包括环氧树脂、固化剂、钛白粉、沉淀硫酸钡、安息香、流平剂以及2-甲基咪唑等材料。


在实际生产的过程中,使用预混料机、双螺杆挤出机、破碎机以及高压喷涂设备等,先将材料预混合在其中,其中包括环氧树脂、固化剂、颜填料、助剂等,相互混合,挤出,再进压片、粉碎,最终形成样品。


针对以上流程,对制备完毕的环氧粉末涂料性能进行检测,其中包括外观、粒度、不挥发物含量、磁性物含量、胶化时间、固化时间等,其中胶化时间和固化时间测试温度为180℃。


180℃下胶化时间为63s,固化时间为2.5min。表2为环氧粉末涂料材料制备配方。

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② 制粉过程注意事项

1)颜料颗粒细微、质轻,称好后应首先裹入其它物料中,以防受气流冲击而飘起或粘于容器壁上导致物料不准。

2)熔融挤出国外多采用双螺杆挤出机,最大优点是换色容易。目前国内一般采用单螺杆挤出机。

挤出物料时要严格控制三个区的温度,尤其是第三区。对于普通环氧粉末,第三区温度不得超过105℃,挤出时间也不易过长,否则固化剂容易与树脂发生固化反应使物料变硬,即影响正常生产。

粉末最终被涂于工件表面进行烘烤时也不再被熔融而形成一个个凸出的麻点,影响涂层性能和外观质量。

3)粉末的超细粉碎国内采用球磨机和旋风式超细粉碎机。球磨机粉碎的粉末晶形好,所得涂层性能及外观均很漂亮。

但超细粉(细度在300目以上)含量往往过多,粉粒过细易结团或带电量不足,经高压静电喷涂于工件上易产生涂膜不均、粉末与工件吸附性差易脱落,采用旋风式粉碎机可得到细度合格、细度分布合理的粉末粒子,是较为理想的粉碎设备。

4)粉末筛网细度应为180目。生产中应经常检查筛网,发现破裂和变形应及时修理或更换,以免粗粉带入影响粉末质量。


③ 环氧树脂的选择

环氧粉末涂料在制备过程中使用的环氧树脂为双酚A型环氧树脂以及脂环族环氧树脂,其中双酚A型环氧树脂,具有活泼环氧基和高极性基团醚基,正是因为这一结构,最终形成的涂膜交联度较高、硬度较高、耐磨性能强、防腐效果也较强。


通过表3的比较分析能看出,LB-303的环氧树脂,在实际使用中的防腐性能较高,能够完成耐盐雾性能测试。


其涂膜在高温固化的过程中,熔融流动性不高,因此会轻易出现流挂等现象,最终完成的喷涂表面较为平整,整体使用性能较强,所以在制备环氧粉末涂料的过程中,多数选择环氧树脂LB-303作为制作材料。

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④ 固化剂的选择

在环氧粉末涂料制备的过程中,固化剂的种类非常多,其中包括胺类固化剂、双氰胺固化剂以及芳香烃固化剂等。


通常情况下,多数环氧粉末涂料制备使用的固化剂为酚烃基树脂固化剂,该固化剂在实际使用的过程中,整体防腐性能和绝缘性能较强,其中包含大量的环氧基与烃基基团,因此在环氧粉末涂料固化中,具备较强的附着力。


而分子结构中存在较多的苯环以及醚键,自身分子结构较为紧密,因此化学性质的稳定性较强,最终制作的环氧粉末涂料防腐效果也较好,目前已经成为环氧粉末涂料制备中经常使用的固化剂之一。


通过表4能够看出,固化剂的使用数量不同,最终环氧粉末涂料的使用性能也不同,如果固化剂的使用数量较低,环氧粉末涂料不完全固化,甚至出现不固化的情况,漆膜整体的密度不够,导致最终的美观性以及实用性都有所下降。


如果固化剂使用的数量较多,则交联程度不高,漆膜脆弱,耐冲击性能和耐腐蚀性能不高,因此在使用固化剂的过程中,需要合理分配使用比例,保证最终环氧粉末涂料的制备效果以及使用性能。

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⑤ 填料的选择

填料也是环氧粉末涂料的组成部分之一,其能够提升环氧粉末涂料的涂抹硬度、刚性以及耐划伤性等,同时避免环氧粉末涂料出现松散的情况,最终达到提升环氧粉末涂料制备综合性能的目的。


在实际制备过程中,可以选择防腐性能较强的硅微粉、沉淀硫酸钡以及防锈颜料,将其作为环氧粉末涂料制备中的填料。


表5为环氧粉末涂料中填料数量对应的性能,二者之间的比例无论过高还是过低,都会对漆膜性能产生一定的影响,如果填料数量过高,则漆膜较脆,柔韧性不高。


如果填料的数量较低,则漆膜硬度不够,导致相关的物理综合性能无法提升,由此可以看出,在选择填料的过程中,需要确定填料的正常使用范围,保证最终环氧粉末涂料制备的综合性能。

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⑥ 助剂的选择


助剂虽然在环氧粉末涂料制备中使用数量较少,但是对最终材料性能的影响非常大,目前,助剂主要分为两种类型。


第一种,流平剂,能在涂抹熔融流动时,在涂膜表面形成分子层,避免环氧粉末涂料出现缩孔等情况。流平剂中的主要组成部分为聚丙烯酸酯和二氧化硅。


如果流平剂的使用比例在1.5%以上,则漆膜的耐玷污性能较差,因此流平剂的最佳使用含量为0.8%~1.5%。


第二种,固化促进剂,通常使用的固化剂为2-甲基咪唑,其在使用的过程中能够缩短环氧粉末涂料的固化时间,提升环氧粉末涂料的制备效率。


如果不使用固化促进剂,则最终涂抹的脆性较高,附着力并不强。因此要想提升环氧粉末涂料的制备质量,需要适当加入固化促进剂。


04 结论


综上所述,随着人们对环氧粉末涂料的关注程度逐渐提升,如何提高环氧粉末涂料的性能,成为有关人员关注的重点。


本文通过研究输油管道防腐环氧粉末涂料制备发现,对其进行研究,能够提升环氧粉末涂料的使用效果,促进我国输油管道防腐环氧粉末涂料材料制备的良好发展。


采用线型酚醛环氧树脂、环氧树脂E-12、专用固化剂、通用流平剂、安息香、2-甲基咪唑以及颜填料组成的FBE粉末涂料,具有固化速度快,耐磨性好,防腐性能好的优点。


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