輸水管道無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層與溶劑型內(nèi)涂層性能對(duì)比分析

蒲夢(mèng)雅，張建偉，易建軍，彭 彬，肖 岱，羅小波，冉軼杰

（資陽(yáng)石油鋼管有限公司，四川 資陽(yáng) 641300）

0 前 言

由于輸水管道具有承壓能力強(qiáng)、運(yùn)行安全可靠、管道滲漏量少、噴涂方便等特點(diǎn)，同時(shí)，輸水鋼管還具有適應(yīng)性強(qiáng)、便于裝卸以及使用過(guò)程中維修便利的優(yōu)點(diǎn)，因此涂敷鋼管在輸水管網(wǎng)中得到了廣泛運(yùn)用。但是輸水鋼管的金屬基材受管內(nèi)水的腐蝕會(huì)使水管內(nèi)壁產(chǎn)生一層沉積物、銹蝕物和粘垢，這些物質(zhì)相互作用結(jié)合成的復(fù)合體含有大量金屬元素、細(xì)菌和藻類(lèi)，影響供水系統(tǒng)的水質(zhì)和衛(wèi)生安全。內(nèi)防腐技術(shù)是解決輸水管道內(nèi)腐蝕最方便有效的方法，通常采用以IPN8710為代表的溶劑型涂料和無(wú)溶劑液態(tài)環(huán)氧涂料對(duì)輸水鋼管進(jìn)行管內(nèi)防腐。

1 涂料的定義和分類(lèi)

1.1 溶劑型涂料

市面上的溶劑型涂料主要以IPN8710為代表。IPN8710涂料基料由改性環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)毒顏填料、助劑和揮發(fā)性分散介質(zhì)組成，配合改性胺類(lèi)固化劑使用。由于沒(méi)有相應(yīng)的命名規(guī)范，各涂料廠家經(jīng)過(guò)配方微調(diào)，命名以IPN8710為牌號(hào)的改性涂料， 如： IPN8710－1、 IPN8710－2B、IPN8710－3等。盡管該涂料種類(lèi)較多，但對(duì)鋼管內(nèi)壁起到防腐作用的主要成分始終是基料所含的改性環(huán)氧樹(shù)脂。

1.2 無(wú)溶劑環(huán)氧涂料

無(wú)溶劑環(huán)氧涂料分為A組分和B組分，A組分為低粘度環(huán)氧樹(shù)脂、顏填料和助劑組成，B組分為低粘度改性胺固化劑。無(wú)溶劑環(huán)氧涂料與IPN8710涂料的最大區(qū)別在于涂料制造及施工應(yīng)用過(guò)程中不需采用揮發(fā)性有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)，低粘度的胺固化劑、液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)固化而形成的涂層具有不一般的特性。

2 噴涂工藝對(duì)比分析

2.1 IPN8710內(nèi)防腐噴涂工藝

一般是將IPN8710涂料A組分和B組分按一定比例混合攪拌均勻，熟化30 min后方可進(jìn)行施工。鋼管內(nèi)壁除銹滿足要求后，由于市面底（面）漆合一技術(shù)，根據(jù)工藝要求分別進(jìn)行底面和表面人工或機(jī)械噴涂，每次噴涂所達(dá)到的干膜厚度在60～100 μm，如設(shè)計(jì)要求涂層厚度超過(guò)200 μm則很難完成。主要原因是IPN8710涂料一次涂裝厚度較薄，若涂裝太厚，漆膜容易產(chǎn)生流淌、滴掛等缺陷，只能多次涂裝才能滿足防腐層厚度的要求。而且施工過(guò)程中會(huì)有有機(jī)溶劑逸出，產(chǎn)生對(duì)環(huán)境和人體有害的物質(zhì)，大量生產(chǎn)時(shí)不符合國(guó)家的環(huán)保要求。

2.2 無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)防腐噴涂工藝

無(wú)溶劑環(huán)氧涂料在常溫下成果凍狀，完全沒(méi)有流動(dòng)性，在施工前必須對(duì)無(wú)溶劑涂料A組分加熱，溫度一般控制在60℃，成液態(tài)后，使用管路具有保溫功能的高壓無(wú)氣噴涂設(shè)備，采用A組分、B組分前端混合的方式進(jìn)行自動(dòng)噴涂，一次成膜厚度大，能在基材表面一次形成厚度達(dá)200～800 μm干膜，突破了IPN8710內(nèi)噴涂技術(shù)瓶頸，滿足更多輸水管網(wǎng)設(shè)計(jì)需求。無(wú)溶劑環(huán)氧涂料固相含量通常大于99%，在達(dá)到相同的涂膜厚度的情況下，所需要的涂料質(zhì)量比溶劑型IPN8710要少，減少了施工噴涂次數(shù)，從而減少了涂料消耗量，降低了噴涂施工費(fèi)用，縮短了施工周期。

綜上所述，溶劑型IPN8710涂料中含有超過(guò)30%以上的可揮發(fā)性有機(jī)溶劑，固化時(shí)會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，污染環(huán)境，對(duì)人體健康不利。無(wú)溶劑環(huán)氧涂料使用過(guò)程中，固化劑、液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)固化，不再產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，減少了溶劑揮發(fā)對(duì)環(huán)境的污染，有利于企業(yè)的安全環(huán)保生產(chǎn)。

3 防腐層性能對(duì)比分析

采用IPN8710－3N某溶劑型涂料與SF－G無(wú)溶劑環(huán)氧液態(tài)涂料進(jìn)行試片噴涂，噴涂厚度200 μm。通過(guò)孔隙率、吸水率以及抗彎曲試驗(yàn)，分析對(duì)比飲水輸水鋼管應(yīng)用的這兩種防腐技術(shù)。

3.1 涂層孔隙率

3.1.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)儀器為徠卡DMI3000M光學(xué)顯微鏡。將完全固化的涂層鋼板試樣經(jīng)低溫 （－30℃）冷凍彎曲后，分別撬下塊狀涂層，用蒸餾水清洗表面后風(fēng)干。最后放入電子顯微鏡中以既定倍數(shù)放大，對(duì)涂層中的微型孔隙進(jìn)行觀察，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。需要說(shuō)明的是，圖1（b）和圖1（d）中的劃痕是剝離涂層時(shí)，SF－G本身材質(zhì)致密性以及剝離應(yīng)力作用產(chǎn)生的外力劃痕，原涂層平滑完整。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1（a）和圖1（b）中，在光學(xué)顯微鏡放大50倍，同一視距范圍內(nèi)，IPN8710涂層的孔隙率明顯大于SF－G涂層，并且SF－G涂層明顯致密、有質(zhì)感。將鏡頭倍數(shù)放大至400倍 （見(jiàn)圖1（c）和圖1（d）），視場(chǎng)面積變小，同一焦距下IPN8710涂層的孔隙比SF－G涂層的孔隙大且數(shù)量多；而視場(chǎng)范圍下的SF－G涂層孔隙率幾乎為0。

該試驗(yàn)直觀反映出無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層致密性優(yōu)于溶劑性內(nèi)涂層。這是由于無(wú)溶劑型環(huán)氧涂層一般在常低溫固化，固化過(guò)程由于沒(méi)有溶劑不收縮，而溶劑型環(huán)氧涂層在固化干燥時(shí)，由于溶劑揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致涂層出現(xiàn)孔隙乃至針孔，孔隙率高。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，涂膜的高收縮率容易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋，應(yīng)盡量避免。

輸水管道在使用過(guò)程中，涂層成膜時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)部孔隙是導(dǎo)致管內(nèi)流動(dòng)沖刷條件下涂層加速失效的重要原因之一。因此，選擇優(yōu)良固化成膜方式的涂料配以合適的噴涂工藝，以獲得均勻致密的結(jié)構(gòu)，是提升涂層耐久性的關(guān)鍵。

圖1 顯微鏡下涂層中的微型孔隙

3.2 涂層吸水率

吸水率是影響涂層防護(hù)性能最主要的因素之一，通過(guò)研究試樣的吸水量與浸泡時(shí)間曲線，探討水在涂層中的擴(kuò)散速度，從而證明涂層對(duì)基材的防護(hù)性能。

3.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)儀器為干燥器和METTERLE MS304S分析天平。將有涂層的鋼板試樣 （60 mm×60 mm×1 mm），放入干燥器內(nèi)干燥至少24 h，然后稱重。試驗(yàn)用平行試樣各3個(gè)，將試樣完全浸泡在自來(lái)水溶液中，試驗(yàn)期間溶液保持在 （23±2）℃的恒溫條件。按既定時(shí)間取出試樣，用濾紙擦去表面所有水至表面干燥，迅速進(jìn)行稱重，精確至0.1 mg，并計(jì)算涂層吸水率，

式中：C——涂層吸水率，%；

mn——浸泡n天后試樣的質(zhì)量，g；

m0——浸泡前試樣的質(zhì)量，g。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)時(shí)間為40 d，涂層吸水率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。按照表1數(shù)據(jù)，計(jì)算涂層的吸水率，兩種涂層試樣吸水率－時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，試驗(yàn)進(jìn)行到5 d時(shí)，兩種涂層吸水率增長(zhǎng)顯著，到30 d吸水率達(dá)到穩(wěn)定，涂層達(dá)到吸水飽和平衡狀態(tài)。對(duì)比IPN8710涂層，SF－G涂層在達(dá)到吸水飽和后，吸水率不升反有下降趨勢(shì)，這可能是由于無(wú)溶劑型環(huán)氧涂層的環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)與水分子形成極性基團(tuán)，導(dǎo)致成膜更為細(xì)密，阻止水分子的侵入，吸水率反而降低。

表1 涂層吸水率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 （23±2）℃下涂層吸水率-時(shí)間關(guān)系曲線

另一方面，IPN8710涂層的飽和吸水率在0.55%左右，SF－G涂層試樣的飽和吸水率在0.09%?？梢钥闯鋈軇┬屯繉游蔬h(yuǎn)大于無(wú)溶劑環(huán)氧涂層吸水率。由此推斷，無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層在服役期間，保護(hù)基材的能力遠(yuǎn)優(yōu)于溶劑型內(nèi)涂層。這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)期水環(huán)境下，水分子由涂層表面向內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，最后到達(dá)金屬基體與涂層界面，擴(kuò)散的水分子影響涂層的理化性能，并在涂層/金屬界面形成一層水膜降低了涂層附著力從而導(dǎo)致涂層失效。吸水率越高，涂層失效的幾率越大。

圖3 涂層抗彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗彎曲性能

3.3.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)儀器為MT7004低溫試驗(yàn)箱和圓錐軸彎曲試驗(yàn)儀。將涂層鋼板試樣放入低溫箱冷卻至－30℃，保持30 min以上。將試樣取出，30 s之內(nèi)將試樣繞圓錐彎曲試驗(yàn)儀彎曲180°，然后目視觀察涂層表層變化。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

涂層抗彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，－30℃下，SF－G涂層彎曲面有少量裂紋，而IPN8710環(huán)氧涂層開(kāi)裂，并以片狀剝落。說(shuō)明在嚴(yán)苛的服役條件下，無(wú)溶劑環(huán)氧涂層的耐候性、附著力要優(yōu)于溶劑型涂層。這是因?yàn)镮PN8710涂層在固化過(guò)程中，釋放揮發(fā)性分散介質(zhì)，易產(chǎn)生孔隙和裂紋，在低溫和外力作用下，孔隙之間的應(yīng)力致使涂層脫離基材，最終呈塊狀剝離；而無(wú)溶劑環(huán)氧涂層孔隙率小，內(nèi)應(yīng)力小，涂層與基材結(jié)合力強(qiáng)，附著力優(yōu)異。

4 結(jié) 論

（1）相比溶劑性內(nèi)涂技術(shù)，無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)涂技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)是不需添加任何有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)，有效減少了有機(jī)溶劑揮發(fā)對(duì)空氣造成的污染；在噴涂過(guò)程中涂敷一次就可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，減少了噴涂次數(shù)，提高了工作效率，且涂料的密閉性高，大大提高了涂料的防腐壽命。

（2）分別以 IPN8710－3N和SF－G代表溶劑型涂料與無(wú)溶劑環(huán)氧涂料進(jìn)行涂層性能分析對(duì)比，并進(jìn)行了孔隙率、吸水率、－30℃抗彎曲試驗(yàn)。相比溶劑型內(nèi)涂技術(shù)，無(wú)溶劑內(nèi)涂技術(shù)得到的防腐涂層漆膜致密性更好，涂層微型孔隙少，吸水率更低，更能有效地抵擋水等腐蝕介質(zhì)透過(guò)涂層而腐蝕基材。無(wú)溶劑型涂料對(duì)管道基材的附著力更強(qiáng)，防腐效果更好，管道的使用壽命更長(zhǎng)。

（3）無(wú)溶劑環(huán)氧內(nèi)涂技術(shù)在噴涂工藝、生產(chǎn)成本以及涂層防腐性能等方面，較溶劑型內(nèi)涂技術(shù)有更顯著的優(yōu)勢(shì)，加之其安全環(huán)保，必然會(huì)成為輸水鋼管內(nèi)防腐技術(shù)的主流方式。

（4）無(wú)溶劑環(huán)氧涂料有許多優(yōu)點(diǎn)，但在施工工藝上要求極高。由于無(wú)溶劑環(huán)氧涂料成膜固化時(shí)間快，手工涂刷較難，另外它的基料與固化劑是靠交聯(lián)反應(yīng)固化，所以比例必須要準(zhǔn)確，不然會(huì)造成干膜內(nèi)有多余的基料或固化劑參與反應(yīng)，進(jìn)而影響成膜質(zhì)量。無(wú)溶劑內(nèi)涂技術(shù)要有專業(yè)的施工設(shè)備才能保證其產(chǎn)品質(zhì)量，因而施工成本較高。