環氧重防腐塗料的配方設計及改性研究

環氧重防腐塗料的配方設計及改性研究

陳興娟1 　關　旭2 　王正平1(1. 哈爾濱工程大學化學工程系　150001 ;2. 黑龍江省畜牧獸醫職業技術學院　150111)1 　引言　　能在嚴酷的腐蝕環境下應用並具有長效使用壽命的塗料稱為重防腐塗料(Heavy - Duty Coating) 。在化工大氣及海洋環境中,重防腐塗料一般可使用10 或15 年以上;在酸、鹼、鹽和溶劑介質中並在一定溫度的腐蝕條件下,一般應能使用5 年以上。重防腐塗料的應用領域十分廣泛,如海上石油鑽井平台、橋樑、船舶、集裝箱、油罐,油管、輸變電設備、核電設備的防腐以及石油化工廠的管道、貯槽和大型礦山冶煉設備等。目前,在重防腐塗料領域所用的防腐塗料主要有以下三個品種:環氧防腐塗料、聚氨酯塗料、含氯的防腐塗料等。本文主要討論環氧防腐塗料的配方設計及改性的方法。2 　環氧防腐蝕塗料的配方設計　　環氧樹脂是目前應用數量最多、範圍最廣的重防腐塗料用樹脂,以環氧樹脂為主要成膜物質的塗料稱為環氧塗料,其中大部分用於防腐領域。環氧樹脂分子結構的特點是大分子鏈上含有環氧基。由於所採用的原料、生成環氧基的方法以及應用的目的等不同,所得到的環氧樹脂的種類也不同。其中最主要的品種是雙酚A 型環氧樹脂( E 型) ,環氧防腐塗料所用的環氧樹脂主要也是這一類。其次,酚醛環氧樹脂(F 型) 以及新發展的雙酚F 型環氧樹脂也是耐蝕環氧塗料的重要原料。在對環氧塗料進行配方設計時,環氧樹脂種類的選擇是非常重要的,它影響環氧樹脂膜的性能,然後再對環氧樹脂固化劑、溶劑、顏填料和助劑等組分進行研究。211 　環氧樹脂種類的選擇在對環氧樹脂的種類進行選擇時,首先應考慮環氧樹脂膜的耐化學藥品性。表1 列出了環氧樹脂膜內化學鍵對耐化學藥品性的影響(以聚醯胺為固化劑,胺當量與環氧當量之比為0.5∶1 ,在30～35 ℃下充分交聯固化製得環氧樹脂膜注膜均為90d) 。　注: (1) HW - 28 是環氧- 有機硅樹脂; (2) 711 # 是酯型環氧樹脂。212 　環氧樹脂固化劑的選擇環氧樹脂固化劑的種類很多,主要有胺類、酸酐類、咪唑及有機金屬化合物等。由於重防腐塗料施工面積大,大多為現場施工,因此多採用室溫和低溫固化劑,即主要為胺類固化劑。脂肪族胺類固化劑由於毒性較大且受溫度和潮濕條件的限制較大,給操作帶來不便,因此很少使用。而芳香族胺類固化劑由於大部分是固體,與樹脂混合不便。環氧防腐塗料中經常使用的是醯胺類固化劑,其固化過程系通過聚醯胺末端的伯、仲胺上的氫與環氧基反應。由於聚醯胺固化劑對用量要求不嚴格,因此可根據需要通過聚醯胺的用量來調節韌性。213 　顏、填料的選擇根據塗料的應用要求選擇顏填料。對防酸鹼介質條件,可採用氧化鐵紅和沉澱硫酸鋇等顏填料;對於耐光和熱介質條件,可採用氧化鋅和雲母氧化鐵等顏填料;為增強塗膜的耐化學藥品性和提高物理機械性,採用雲母和滑石粉等填料。在環氧塗料配方設計時,充分利用各種顏填料的特性,可製成性能各異的環氧塗料品種。另外,塗料和塗膜的許多性能隨顏填料體積濃度(PVC) 的變化而發生變化。當PVC較小時塗膜內顏填料粒子間距離較大,不會使整個塗膜形成毛細管,則塗料防介質滲透能力較強;而當配方中的PVC 大於顏填料的臨界體積濃度(CPVC) 時,則塗膜中的基料數量不足以包圍和潤濕所有的顏填料,因此必有部分顏填料在塗膜中較疏鬆地存在,使塗膜的物理性能變壞。在設計塗料配方時,PVC 一定要小於CPVC。214 　溶劑的選擇在溶劑性塗料里溶劑的作用是形成一定粘度的溶液,以便於塗料的施工;二是控制塗料膜干速度,以形成良好的塗膜。環氧塗料中常用的溶劑和稀釋劑有芳烴類、醇類、酮類、酯類和醇醚類等。製備塗料時,一般用混合溶劑,主要由二甲苯與一定量的極性溶劑(醇、酮、酯、醇醚等) 。近年來,為控制溶劑對大氣的污染,各國對塗料中的揮發性有機物(VOC)提出了限制,在這種情況下,出現了厚漿型、高固體分、無溶劑塗料和水性塗料的許多新品種,這是今後塗料的發展方向。3 　環氧塗料的改性研究　　環氧塗料雖然是防腐塗料的一大類品種,但環氧樹脂用於重防腐塗料的局限有兩點:一是環氧樹脂的耐候性差,易粉化,不宜加工成防腐塗料面漆;二是環氧樹脂在較高溫度下承受較強腐蝕介質的能力較差。這樣就需要對環氧塗料進行改性。311 　用丙烯酸對環氧樹脂進行改性在環氧樹脂分子鏈上引入不飽和鍵,這種塗料可以用紫外光進行固化。丙烯酸改性環氧樹脂是用丙烯酸中的羧基與環氧基反應,從而在環氧樹脂分子中引入了雙鍵。312 　用聚氨酯對環氧樹脂進行改性31111 　將環氧樹脂溶液與異氰酸酯組分配合,直接進行塗刷。這種改性方法是利用環氧樹脂的仲羥基與異氰酸酯基團反應,而環氧基沒有參加反應。31112 　將環氧樹脂先與醇胺或胺反應,使環氧基開環生成羥基,然後再與異氰酸酯反應成膜。該塗料可配置成清漆、面漆、底漆使用。其防腐性能較好。31113 　利用酸性樹脂的羥基與環氧樹脂反應,打開環氧基而生成羥基,再與異氰酸酯組分反應成膜。313 　利用聚合物互穿網路結構,提高塗膜的性能。在環氧塗料中加入苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸等單體,同時也要加入自由基聚合的引發劑,這樣在防腐塗料的塗膜中,就含有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚丙烯酸網路,丙烯酸的羧基與環氧基發生反應,引發環氧樹脂交聯成膜。這些高分子網路在分子水平上進行互穿,形成互穿聚合物網路( IPN) 結構,並且產生協同效應,使塗膜具有更好的性能。4 　結論　　環氧防腐塗料的配方設計中,環氧樹脂及固化劑的選擇、顏填料的選擇是非常重要的。為了提高環氧樹脂膜的性能,可用聚氨酯、丙烯酸等對環氧樹脂進行改性,或利用聚合物互穿網路結構提高塗膜的性能。