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作者

文字/秦瑞1，肖瑞麗2

1．蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院;2．甘肅環(huán)通工程檢測(cè)有限公司

摘要：粉末涂料具有廣闊的應(yīng)用前景。為了提高其重腐蝕性能，開發(fā)了滿足重腐蝕保護(hù)要求的快速固化環(huán)氧粉末涂料，討論了基底樹脂的選擇、固化劑型號(hào)和劑量對(duì)涂層性能的影響；確定了顏料填料、平整劑、固化劑等添加劑的選擇對(duì)象，獲得了涂配方，并測(cè)試了首選配方涂層的性能。結(jié)果表明，涂料綠色、環(huán)保、無(wú)污染。涂料具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、耐溶劑性、優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的附著力。施工工藝簡(jiǎn)單，無(wú)底漆可厚涂?？焖俟袒欣谘b配線運(yùn)行，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧粉末涂料；重防腐；成分優(yōu)化；性能評(píng)價(jià)

Preparationof a Kind of Heavy Anticorrosive Epoxy Powder Coating

QIN Ｒui1，XIAO Ｒui -li2

( 1． College of Technology and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China; 2． Gansu Huantong Engineering Testing Co．，Ltd．，Lanzhou 730050，China)

Abstract:A kind of epoxy powder coating for heavyanti-corrosion protection was developed． The influence of the base resins and the type and amountof curing agents on the perfor ** nce of the coating was discussed． The dosage of pigments，fillers，leveling agents，curing accelerators and other additives were determined． Finally，the perfor ** nce test results of the coating were given． Ｒesults showed that the coating wasgreen，environment-friendly and pollution-free，and had the excellent chemical resistance，solvent resistance，excellent physical and mechanical properties，good adhesion and other properties of the coating． The construction process was ** ，and the primer was not required to be coated at the sametime，as well as the rapid curing was beneficialto assembly line operation．Therefore，the prepared coating had a widerapplication of anti -corrosion field．

Key words:epoxy powder coating; heavy corrosion protection; component optimization; perfor ** nce evaluation

0 前言

環(huán)氧粉末防腐涂料起源于20世紀(jì)60年代，廣泛應(yīng)用于水、化工和油氣管道的運(yùn)輸。隨著石油、天然氣、化工等行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)管道防腐的要求越來(lái)越高。一些傳統(tǒng)的溶劑型和高揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)防腐涂料含量不再滿足當(dāng)前的防腐要求，特別是埋地石油天然氣管道在重腐蝕環(huán)境下具有較高的安全等級(jí)。

環(huán)氧樹脂、聚氨酯和氯磺化樹脂是重防腐涂料中常用的樹脂。重防腐涂料發(fā)展的關(guān)鍵是高性能合成樹脂。為了在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期目標(biāo)，主要成膜材料合成樹脂的要求是：低收縮力、高硬度、韌性、耐磨性、耐溫性等附著力好、物理力學(xué)性能好；對(duì)各種介質(zhì)（化學(xué)氣體、酸、堿、鹽等溶劑）具有良好的耐腐蝕性，能有效地 ** 各種介質(zhì)對(duì)涂層的滲透；在各種條件下施工方便，滿足涂層厚度和涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的附著力和低收縮率、良好的耐腐蝕性和滲透性，可由更多的固化劑固化，具有良好的膜性能，逐漸成為應(yīng)用最廣泛、最廣泛的重型防腐涂料膜材料。環(huán)氧粉末涂料是一種綠色涂料，其固體成分接近100%，不含溶劑，滿足當(dāng)前環(huán)保綠色要求。粉末涂料以其安全高效、無(wú)污染等特點(diǎn)，在重防腐領(lǐng)域得到了迅速的推廣和應(yīng)用。

環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《十三五揮發(fā)性有機(jī)物污染防治工作計(jì)劃》要求七個(gè)重點(diǎn)行業(yè)的所有企業(yè)實(shí)施VOC綜合治理給粉末涂料帶來(lái)了新的機(jī)遇。粉末涂料的應(yīng)用方向是集裝箱、船舶、鐵路、能源、石化、發(fā)電等領(lǐng)域。重型防腐涂料在這些項(xiàng)目中的應(yīng)用超過300萬(wàn)噸，發(fā)展前景最為可觀。溶劑型涂料仍然是船舶、橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等防腐涂料應(yīng)用領(lǐng)域的主流，水性涂料難以完全取代溶劑型涂料，粉末涂料有望在綠色涂料趨勢(shì)下占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。然而，粉末涂料仍存在一些問題：生產(chǎn)過程中的粉塵和噪聲污染；粉末涂料的高溫固化條件使其在節(jié)能方面處于劣勢(shì)；很少用于非金屬基材；特大型金屬件（如鋼結(jié)構(gòu)、集裝箱等）或形狀極其復(fù)雜的金屬件難以實(shí)現(xiàn)粉末涂料；鉛鉻黃等重金屬顏料廣泛應(yīng)用于粉末涂料行業(yè)，可能對(duì)人體造成傷害或潛在危險(xiǎn)。

本工作開發(fā)了環(huán)氧粉末快速固化重腐蝕涂料，可用于惡劣腐蝕環(huán)境條件下的重腐蝕保護(hù)，并表現(xiàn)了其理化性能。

1 試驗(yàn)

1.1 涂料制備工藝流程

重防腐環(huán)氧粉末涂料的制造方法與傳統(tǒng)液體涂料完全不同，必須使用專用設(shè)備。圖1為粉末涂料的生產(chǎn)工藝。

制備環(huán)氧粉末防腐涂料的具體工藝包括預(yù)混合階段、熔融擠出階段、粉碎階段和篩分階段。制備過程中，先準(zhǔn)確稱量樹脂、固化劑、顏料、添加劑等成分，充分混合均勻。預(yù)混合物料通過加料器輸送到熔融擠出混合器，使各成分在一定溫度下熔融混合均勻分散。擠出機(jī)擠出后，冷卻壓片破碎，分級(jí)篩分，制成產(chǎn)品。

制備涂料的主要技術(shù)難點(diǎn)：一是篩選合適的樹脂、顏料填料和固化劑，滿足制備涂料的良好防腐性能；二是涂料要求厚涂層一次噴涂成型。為了防止流掛，涂料的熔融流動(dòng)性較低，因此流平劑等添加劑的配合使用非常重要。環(huán)氧粉末涂料主要由基料樹脂、固化劑、顏填料及助劑組成，根據(jù)所制備的涂料涂層的性能，優(yōu)選了基料樹脂類型、固化劑類型和用量，以及顏填料和助劑的種類及用量，并對(duì)最優(yōu)涂層進(jìn)行了性能表征。

1.2 涂料性能檢測(cè)

(1)外觀目測(cè)環(huán)氧粉末涂料，觀察涂料的色澤是否均勻、是否結(jié)塊等。

(2)膠化時(shí)間、固化時(shí)間、低溫沖擊(-30)℃)、抗彎、耐磨、附著力、耐化學(xué)腐蝕SY/T0315－2013測(cè)定。

(3)固體分含量(100)℃)%參照GB/T6554測(cè)定。

(4)參考體積電阻率GB/T1410測(cè)定。

(5)靈活性參考GB/T1731－1993測(cè)定。

(6)耐鹽霧性能參考GB/T1771－1991測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 首選涂料配方

2.1.1 選擇基材樹脂

環(huán)氧樹脂包括雙酚A型和脂環(huán)族型。雙酚A環(huán)氧樹脂具有高極性環(huán)氧基和羥基。一旦加入固化劑交聯(lián)，形成不溶性、不熔化的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，涂層具有交聯(lián)度高、硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性好等特點(diǎn)。因此，在涂料配方設(shè)計(jì)中，以雙酚A環(huán)氧樹脂為主要成膜材料[2]，其結(jié)構(gòu)見圖2。由于分子中苯環(huán)和醚鍵穩(wěn)定，分子結(jié)構(gòu)緊密，耐化學(xué)介質(zhì)性好，基本能長(zhǎng)期滿足大多數(shù)腐蝕環(huán)境的需要。此外，通過各種固化交聯(lián)方式可以提高環(huán)氧樹脂涂料的耐腐蝕性。

表1是粉末涂料雙酚A環(huán)氧樹脂粉末涂料的技術(shù)測(cè)試指標(biāo)。表2是不同類型環(huán)氧樹脂制成粉末涂料涂料的防腐性能檢測(cè)。根據(jù)表1中的軟化點(diǎn)和環(huán)氧值的范圍，最終確定環(huán)氧樹脂3為基質(zhì)樹脂，其外觀明顯優(yōu)于普通環(huán)氧樹脂（無(wú)色透明）。表2顯示：由環(huán)氧樹脂3制成的粉末涂料具有最佳的耐腐蝕性和耐化學(xué)性。由于涂層為厚涂層型，需要一次噴涂固化成型，因此需要涂層的厚膜防流掛性，這就要求涂層具有較低的熔融流動(dòng)性。環(huán)氧樹脂3具有較高的軟化點(diǎn)和較窄的分子量分布，分子結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則，使樹脂在高溫固化時(shí)熔化流動(dòng)性較低，不易產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，垂直板表面相對(duì)平整。因此，選用環(huán)氧樹脂3作為基質(zhì)樹脂。

2.1.2 固化劑的選擇

環(huán)氧粉末涂料的使用性能不僅取決于其在介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性和附著力，還取決于其固化獲得的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。只有獲得致密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，才能有效防止涂層在外部介質(zhì)中膨脹和滲透。因此，選擇合適的固化劑對(duì)控制涂層質(zhì)量具有重要意義。

環(huán)氧粉末涂料常用的固化劑有多種[3-4]，如胺、酸酐、咪唑、咪唑啉、環(huán)咪、酚羥基、酚醛、聚酯、丙烯酸等。酚羥基樹脂是環(huán)氧粉末涂料中常用的重要固化劑，主要用于重防腐和電絕緣。該固化劑是低分子量環(huán)氧樹脂和雙酚A在堿催化下加成反應(yīng)的酚羥端基產(chǎn)物，無(wú)小分子產(chǎn)生。固化劑無(wú)毒，生產(chǎn)使用安全衛(wèi)生，固化時(shí)間短，固化時(shí)間快，涂層硬度高、韌性好、耐磨、耐彎曲、耐冷熱沖擊、附著力好。使用這種固化劑具有傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂雙氰胺固化劑無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。其結(jié)構(gòu)含有大量的羥基團(tuán)，使整個(gè)涂層固化后具有優(yōu)異的附著力；最終形成的涂層具有極好的耐腐蝕性。

表3是選用重防腐環(huán)氧粉末涂料專用固化劑的技術(shù)指標(biāo)。表4是由不同類型的酚羥基樹脂固化劑和環(huán)氧樹脂（基質(zhì)樹脂選擇表1中的環(huán)氧樹脂3）制成的環(huán)氧粉末的涂層性能指標(biāo)。經(jīng)試驗(yàn)論證，最終選固化劑2與環(huán)氧樹脂作為涂層的主要成膜材料。表5是不同固化劑劑量對(duì)涂層性能的影響（基質(zhì)樹脂選擇表1中的環(huán)氧樹脂3）。

從表5可以看出，不同的固化劑用量對(duì)涂層性能有很大的影響。固化劑用量過少，樹脂固化不完全（甚至不固化），涂層交聯(lián)密度低[4]，會(huì)影響涂層的外觀和力學(xué)性能，降低涂層強(qiáng)度；當(dāng)固化劑用量過多時(shí)，樹脂與固化劑反應(yīng)加快，交聯(lián)程度過大，影響沖擊性能和耐腐蝕性。性能優(yōu)異的涂層只能采用適當(dāng)?shù)谋壤?。從?可以看出，當(dāng)固化劑和樹脂的質(zhì)量比為1時(shí)∶5.涂層性能最好，性能最好。

2.1.3 顏填料及助劑的選擇

(1)顏料的選擇 因?yàn)榉勰┩苛霞訜峁袒赡さ奶厥庑?，只有部分顏料適用于粉末涂料。鈦白鈦白、炭黑、酞菁綠、鐵紅、鉻黃等顏料作為重防腐環(huán)氧粉末涂料。其中鈦白覆蓋力好，價(jià)格適中；炭黑和酞菁綠具有良好的耐高溫性[5]和2000℃固化時(shí)不會(huì)失光變色；鐵紅具有遮蓋力強(qiáng)、牢度高的特點(diǎn)。還可以添加一些防銹顏料，如鋅鉻黃、三聚磷酸鋁等。

(2)填料的選擇 填料的作用是提高涂料的硬度、剛度、耐劃傷、抗沖擊等物理性能，提高粉末涂料的松散性和玻璃溫度。填料量過高，涂層脆弱，抗沖擊性差；填料量過低，會(huì)影響涂層的剛度、耐劃傷性等物理力學(xué)性能[6]。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終選用性價(jià)比高的沉淀硫酸鋇和硅微粉作為重防腐環(huán)氧粉末涂料的填料成分。表6是不同填料用量對(duì)涂層物理性的影響。

從表6看出，Ⅳ最好的配方是選擇一定比例的硫酸鋇、硅微粉和氣相二氧化硅沉淀，使涂層具有良好的綜合性能。

(3)添加劑的選擇 由于粉末涂料狀態(tài)的特殊性，如環(huán)氧樹脂和固化劑是容易粉碎和分散的固體粉末或片狀物；粉末涂料的固化反應(yīng)溫度較高，大部分品種為180℃左右，所以粉末涂料組成成分受到耐高溫等某些限制，一般在溶劑型和水性涂料中常用的助劑，不能用在粉末涂料中，能用于粉末涂料中的品種就比較少。助劑包括流平劑、固化促進(jìn)劑、光亮劑、脫氣劑、防結(jié)塊劑、消光劑等。其中，流平劑和固化促進(jìn)劑最為重要。

流平劑[6]可有效提高涂膜的光澤和平整性，在沒有添加流平劑的粉末涂料中，涂層存在嚴(yán)重的“麻坑”和內(nèi)部孔隙等現(xiàn)象以及光澤度差等特點(diǎn)。固化促進(jìn)劑能有效降低樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的活化能，提高涂層固化的反應(yīng)速度，大大提高了生產(chǎn)效率。試驗(yàn)證明，不添加固化促進(jìn)劑，樹脂和固化劑固化反應(yīng)交聯(lián)不完全，制備的涂膜脆性很高，附著力很差。

該環(huán)氧粉末涂料要求厚涂層一次噴涂成型，為防止流掛，要求涂料具有較低的熔融流動(dòng)性，容易導(dǎo)致涂層的表面不平整。粉末涂料的流平性受流平助劑、成膜樹脂的結(jié)構(gòu)和固化機(jī)理等制約。選用了合適的樹脂及固化劑，具有較高的軟化點(diǎn)和較窄的分子量分布，分子結(jié)構(gòu)較為規(guī)整。最終使環(huán)氧樹脂與固化劑在高溫固化時(shí)具有較低的熔融流動(dòng)性，不易產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，且板面較為平整。通過改變助劑的使用量，可降低涂料水平流動(dòng)性，能夠起到防流掛的作用。表7是不同固化促進(jìn)劑用量對(duì)固化時(shí)間的影響[7]。表8是相關(guān)助劑種類、用量及用途。因該環(huán)氧粉末涂料較多用在酸堿鹽重腐蝕環(huán)境下防腐蝕，故在顏填料及助劑的選擇方面應(yīng)首先考慮其化學(xué)穩(wěn)定性，良好的耐酸、耐堿、耐溫顏填料及助劑是首選。

2.2 重防腐蝕環(huán)氧粉末涂料基礎(chǔ)配方及涂層性能

通過涂料組成材料的選擇、優(yōu)化和關(guān)鍵性能指標(biāo)評(píng)價(jià)，最后得到重防腐蝕環(huán)氧粉末的基礎(chǔ)配方見表9，所得涂層性能見表10。由表10可以看出:該涂料具有較好的綜合性能及良好的抗化學(xué)磨蝕性，可為環(huán)氧粉末涂料的研究提供參考。

3?結(jié)論

研制了一種用于酸堿鹽重腐蝕環(huán)境下防腐蝕保護(hù)要求的環(huán)氧粉末涂料，該涂料綠色環(huán)保無(wú)污染，通過樹脂和固化劑的共聚交聯(lián)反應(yīng)，選擇合適的顏填料及助劑等，增加了體系的交聯(lián)密度，提高了涂膜耐介質(zhì)滲透能力，耐堿性等性能提高。且施工工藝簡(jiǎn)單，不需要底漆可一次厚涂，快速固化有利于流水線作業(yè)，易于檢測(cè)與修補(bǔ)，涂層質(zhì)量易于控制，具有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

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