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厚膜型低温固化环氧防锈漆的研究
发布时间: 2015-06-15

  阐述了厚膜型低温固化环氧防锈漆的研究方法。论述了厚膜型可低温固化环氧防锈漆所具备的良好性能。通过成功应用于上海浦东机场二期工程的案例,阐明了该涂料优良的施工性和防腐性能。
  关键词:厚膜型涂料;低温固化;环氧防锈漆
  引言
  钢铁具有高强度、延性好的金属特性,人类利用钢铁和金属创建了今日的文明。但是钢铁等金属处于不稳定状态而易受到腐蚀。腐蚀造成巨大的经济损失,我国每年的腐蚀损失高达5千亿元,占国民生产总值的5.3%。因此保护钢铁等金属,使其发挥功效、阻缓锈蚀、延长使用寿命是防腐蚀工作的一项重要任务。对于陆上或海上钢结构而言,采用重防腐蚀涂料进行保护是迄今为止最为有效、经济、常用和主要的手段。与此同时,通过研究开发,功能型重防腐涂料也越来越受到人们的普遍重视。本研究就是在常规重防腐蚀涂料的基础上,根据功能型涂料特点、气候特点、防腐蚀涂料施工性能要求的特点以及防腐蚀保护有效期的要求,进行了大量试验工作,研究开发了厚膜型可低温固化环氧防锈漆。
  1、实验部分
  1.1、固化剂类型选择
  1.1.1、固化原理
  环氧树脂的常温固化反应是通过加入固化剂来实现的。固化剂或称交联剂,它大多直接参与反应并结合在漆膜结构中。与常规环氧型(环氧-胺系统)涂料的反应机理一样,厚膜型可低温固化环氧防锈漆的基本化学反应按如下方式进行:

  上式中,带氨基部分的-R基是体系在-10~40℃的温度范围都具有良好固化性能的关键,因此,我们选用了带不同R基的固化剂来进行配方筛选。
  1.1.2、常用固化剂种类
  固化剂种类繁多,常用的固化剂类型有:脂肪胺类、脂肪胺加成物、聚酰胺树脂及其加成物、Mannich碱类、酮亚胺类等,不同固化剂具有不同的固化特点,例如,脂肪族多元胺能在常温下固化,固化速度快、黏度低;脂肪胺加成物具有臭味小,配漆后不必经熟化可直接使用的特点;聚酰胺树脂及其加成物具有配比范围宽,机械性能均衡,黏结性和耐水性好的特点;Mannich碱类固化剂的特点是即使在低温、潮湿的环境下也能固化;酮亚胺类固化剂黏度低,并可以提供较长的施工期限。因此,对固化剂类型进行选择,可调节漆膜的性能、固化条件。
  1.1.3、特定环氧固化剂及其特点
  特定的环氧固化剂与环氧树脂的混容性极佳。用其固化的环氧树脂漆既有低相对分子质量脂肪胺体系的硬度和优良的耐化学腐蚀性能,又有低相对分子质量聚酰胺体系的长适用期和良好的柔韧性以及低毒性,还有一般酚醛胺体系的快速固化和优良的附着力。在低温、潮湿环境下,该体系可以提供优异的固化性能,其特殊的“-R基”分子结构特点决定了这些技术特点和化学性能:


  (1)通过反应引入的多元氨基与相邻的弱酸性酚羟基是环氧树脂固化反应的催化剂,从而使这种体系在低温下也能快速固化,同时,极性的羟基增加了固化剂的极性,从而内增强了对底材的润湿性和附着力。
  (2)苯环结构与双酚A型环氧具有较好的相容性,从而降低体系黏度。
  (3)含有不饱和双键的碳15直链,给体系提供优异的憎水性和低渗透性,它同时降低体系的表面能和黏度,从而增大体系的流动性和对底材的渗透性,有利于提高体系对底材的黏合力。
  (4)碳15长直链给体系提供良好的内增韧效果,而且对体系的固化反应有初始的空间位阻效应,从而使体系在快速固化的同时仍有良好的使用期。
  (5)苯环结构的存在,提高了体系的硬度和耐溶剂性。作为底漆和中间漆,由于其含酚结构的特性而应该被关注的耐候性问题在该重防腐体系中相对也可以被忽略。
  1.1.4、聚酰胺固化剂及其特点
  聚酰胺固化剂是由植物油的不饱和脂肪酸的二聚体或三聚体和多元胺缩聚而成,在常温条件下提供优异的固化性能和良好的使用期,它与环氧树脂混容性极佳。用其固化的环氧树脂漆漆膜弹性好,既对金属有很强的黏结强度,又具有良好的耐候性,户外使用时漆膜较不易失光和粉化;还提供优良的施工性能,漆的施工期限较长。
  聚酰胺的分子结构决定了这些特点:
  H2N-(CH2)2-HN-(CH2)2-HN-OC-C34H68-OCHN-(CH2)2-HN-(CH2)2-H2N
  (1)其分子结构内含有活泼的氨基,常温下,可以与环氧树脂中的环氧基反应,交联而成网状结构。
  (2)分子结构中含有较长的碳链和极性基团,提供很好的弹性和附着力。
  (3)分子的长碳链结构提供良好的耐候性。
  1.1.5、厚膜型低温固化环氧固化剂
  一般工程项目建造时间长,经历的气候、环境温度变化大,特别是在冬季环境温度较低的时候,工程用环氧涂料仍应具有良好固化反应的要求,故选择了特定的环氧固化剂和聚酰胺固化剂进行混配,由此制得的固化剂既可以保证该环氧体系在-10~40℃的环境温度范围都具有理想的固化反应性能,同时还呈现出优异的综合性能,主要叙述如下。
  通过测定底漆湿膜厚度为200μm时达到实干所需的时间,进行对比,结果见图1。


  为了检验在低温条件下漆膜是否固化及固化的进展情况,我们采用漆膜硬度的变化对固化反应进行验证。在环境温度-3~12℃的范围内,按照GB1730《漆膜硬度测定法摆杆阻尼试验》B法规定,每隔24h测定1次漆膜硬度,结果见表1。


  表1数据表明:漆膜处在-3~12℃的低温条件下,干燥至第4d(即96h)之后,漆膜的硬度已无明显的变化,表明环氧树脂和固化剂基本上已完成了固化反应。这一结果也表明试验中选用的固化剂体系有效、合适,研究开发的技术路线正确。在此,对厚膜型低温固化环氧涂料进行了常规性能的测试,结果见表2。


  表2数据表明:厚膜型低温固化环氧涂料具有优异的耐冲击性、柔韧性及附着力。
  1.2、涂层厚膜化的研究
  根据厚膜型低温固化环氧防腐蚀涂料施工性能的要求以及工程钢结构防腐蚀保护有效期的要求,防锈漆应具有厚膜喷涂性(湿膜400μm/道不流挂)、优异的配套性能,同时提供优异的防腐蚀保护性能。我们仔细研究了厚膜型低温固化环氧防腐蚀涂料可能会出现的4方面问题:
  第一,体系发生硬沉淀问题。
  配方中防锈颜料的密度大,约4.3~4.5g/cm3,它与基料的密度差是其在体系中形成沉淀的因素之一。体系中固体物质的粒度分布较宽,沉降层大小粒子互为填充,密度较高,孔隙小,造成沉淀坚硬。体系中固体物质分散后,表面没有足够的吸附层,由于凝聚力的作用形成絮凝,在重力的作用下沉降成坚硬的沉淀层。
  第二,施工性能的问题。
  工程要求该产品具有厚膜喷涂性,一道喷涂湿膜厚度可达400μm,这对产品的施工性能提出了很高的要求。
  第三,涂膜表面出现光面,带来重涂性的问题。
  体系中基料的密度较颜填料要低很多,涂膜在干燥过程中,随着溶剂的挥发,漆膜中的基料会与颜填料发生分离,逐渐迁移到涂层体系的最上层,基料在漆膜表层的聚集,会造成光面,影响涂层的重涂性。
  第四,漆膜由于厚可能会出现流挂、针孔和暗泡等问题。
  我们对防沉剂体系、助剂体系、颜填料体系以及体系的PVC进行了研究,以确定理想的涂料产品,避免出现上述问题。
  1.2.1、防沉剂体系的研究
  我们选择了有机膨润土与聚乙烯蜡组成的防沉剂体系,两者按比例进行配合使用。有机膨润土分散在漆料中后,其片状结构边缘含有的氧和氢氧基团能够形成氢键,利用这些氢键,有机膨润土的薄片在漆料中形成立体网状结构,赋予体系一种结构黏度。在没有外力的情况下,这种结构黏度的存在防止了固体物质因重力作用而产生的沉降,同时,减少固体粒子互相碰撞形成凝聚的机会,从而降低体系的沉降速度。另一方面,聚乙烯蜡分子上含有的羧基可以定向吸附在固体颜填料表面,碳链伸展在漆料中,在溶媒的作用下,与颜填料一起形成稳定的凝胶体结构,赋予触变性,起到防沉淀作用,同时也略具有防流挂的效果。由于其是一种非溶解性的胶体状溶胀分散体,它对体系黏度的影响甚微,与有机膨润土配合使用时,使体系形成软沉淀,而且也可以使体系具有优异的流动性和施工性,并且这也是体系具有厚膜喷涂性的主要原因之一。
  1.2.2、助剂体系的研究
  我们选择了由润湿剂、分散剂和流平剂组成的助剂体系。润湿剂、分散剂都是表面活性剂,两者提供不同的效果。一方面,我们选择相对分子质量相对较小的润湿剂,取代颜填料表面的吸附物,如水和空气等,降低液/固之间的界面张力,提高分散效率。选择高分子聚合物分散剂,使其在颜填料的分散稳定过程中发挥作用,吸附在颜填料粒子的表面,构成电荷斥力、空间位阻效应,防止分散的颜填料再次形成絮凝,防止颜填料沉淀,保持分散体系处于稳定的悬浮状态,并且改善涂料的流平性,改善漆膜可能会出现的气泡和针孔等问题。另一方面,分散剂的存在也可以提高有机膨润土的分散程度,进一步活化有机膨润土的防沉效果。此外,体系中的防沉助剂也减缓了漆膜中填料的沉降速度,帮助改善漆膜表面出现光面的情况。
  1.2.3、涂料体系PVC的研究
  通过对不同PVC样品进行性能检测后得到的数据,确定了适用于厚膜型低温固化环氧防腐蚀涂料的配方。在确定了配方体系后,除防腐蚀性能之外,我们还进行了施工性试验,见表3。


  从表3中可以看出:厚膜型低温固化环氧防腐蚀涂料具有良好的施工性。
  2、结语
  厚膜型低温固化环氧防锈漆的研究从改进其成膜物质出发,选用改性的胺类固化剂与环氧基团进行反应,并添加防流挂助剂。该涂料具有低温固化性(-10℃以上),解决了传统双组分环氧树脂防锈漆必须在5℃以上方可固化的难点;同时该双组分环氧树脂防锈漆具有良好的厚膜喷涂性(一次成膜600μm时不产生流挂),减少了涂料的涂装道数。该涂料产品成功应用于上海浦东国际机场二期工程钢结构的防腐中,在室外气温低至-7℃的环境条件下施工,施工性和成膜性良好,涂膜性能及外观达到设计要求,受到了用户好评。

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